Клетчатка и целлюлоза это одно и тоже: ЦЕЛЛЮЛОЗА, КЛЕТЧАТКА — это… Что такое ЦЕЛЛЮЛОЗА, КЛЕТЧАТКА?

что это такое, зачем нужна, полезные и вредные свойства?

Клетчатка – это сложный углевод, из которого состоят клеточные оболочки покрытосеменных растений. Этот полисахарид не переваривается в желудке и тонком кишечнике человека, но выполняет ряд жизненно важных для здоровья функций.

Клетчатка и пищевые волокна – одно и то же?

Такие понятия, как «клетчатка» и «пищевые волокна», часто отождествляются. Но трактуются они по-разному.

Пищевые волокна – это совокупность органических компонентов продуктов, которые не перевариваются в желудке и тонком кишечнике, но могут частично расщепляться микрофлорой в толстом кишечнике. Они бывают растворимыми и нерастворимыми. К первым относят пектины, слизи, камеди, декстрины. Ко вторым причисляют целлюлозу, лигнин и гемицеллюлозу.

Клетчатка – это нерастворимый полисахарид под названием целлюлоза. Однако в диетологии под этим понятием обычно имеют ввиду не исключительно целлюлозу, а все неперевариваемые соединения.

Поскольку в большинстве растительных продуктов присутствуют неперевариваемые углеводы не одного, а нескольких видов, под клетчаткой в статье будут подразумеваться все вещества из этой группы.

В чем содержатся пищевые волокна?

Клетчатка присутствует в продуктах только растительного происхождения, так как в животных клетках нет клеточных стенок. Лидерами по содержанию нерастворимых клеточных оболочек являются бобовые, сухофрукты, ячневая крупа, перловка, цельные зерна и хлебцы из них, морковь. Наибольшее количество пектина представлено в яблоках, сливах, свекле, цитрусовых, красной и черной смородине, моркови, тыкве. Различные балластные вещества присутствуют в орехах, абрикосах, киви, водорослях, петрушке, капусте, ежевике, малине. Можно принимать готовые биодобавки на основе сухой клетчатки из цельных зерен.

Источником натуральной клетчатки на каждый день является освежающий напиток Напиток Weight Control (яблоко-лимон) — Yoo Go с натуральным фруктовым соком. В составе — цитрусовые пищевые волокна, яблочный пектин, оболочки семян подорожника и гуаровая камедь. Напиток помогает скорректировать рацион и контролировать его калорийность.

Внимание! Взрослым необходимо употреблять около 20 грамм пищевых волокон в день, детям старше 3 лет — 10-20 г .

Польза клетчатки

Уникальность клетчатки заключается в ее способности набухать в жидкостях и увеличиваться в размерах, не перевариваясь под воздействием пищеварительных ферментов, которые вырабатываются в желудке и тонком кишечнике. Именно это свойство определило многие полезные свойства клетчатки для здоровья человека.

Очищение кишечника

Проходя через весь желудочно-кишечный тракт, набухшая нерастворимая клетчатка соскабливает со стенок непереваренные остатки еды, поглощает токсины и выводит все это из организма, стимулируя перистальтику. Чистые, освобожденные от пищевой массы ворсинки, покрывающие стенки тонкого кишечника, лучше справляются с расщеплением продуктов и усвоением питательных веществ.

Внимание! Пища, богатая клетчаткой, проходит весь желудочно-кишечный тракт за 1–1,5 дня, тогда как обычные продукты могут задерживаться в кишечнике до 3-4 дней.

Пищевые волокна являются субстратом (основой), на котором развиваются полезные бактерии в кишечнике, и служат для них пищей. Здоровая микрофлора кишечника – залог синтеза в нем витамина K и некоторых ферментов, фундамент для хорошего пищеварения, необходимый компонент крепкого иммунитета.

Очищение организма

Освобождая кишечник от остатков еды и токсичных веществ, клетчатка очищает весь организм. Если употреблять ее в недостаточном количестве, то остаточные пищевые массы могут накапливаться в толстом кишечнике.

Похудение

Благодаря набуханию пищевые волокна создают ощущение сытости, надолго избавляя от голода и предупреждая переедание.

Внимание! Употребляя суточную норму клетчатки, можно ускорить процесс похудения.

Снижение риска диабета, атеросклероза и желчнокаменной болезни

Клетчатка замедляет усвоение углеводов, нормализуя уровень глюкозы в крови, а также поглощает и выводит из организма часть жиров пищи, снижая синтез холестерина и уменьшая риск атеросклероза. Кроме того, полисахарид препятствует обратному всасыванию желчных кислот, что предотвращает развитие желчнокаменной болезни. Поэтому употребление пищевых продуктов, содержащих клетчатку, полезно при заболеваниях сердца и печени.

Биоактивные бета-глюканы овса входят в состав напитка Напиток Pure Heart (Чистое сердце) с клубникой из линейки оперативного питания YooGo. Являясь источником клетчатки и пищевых волокон, он улучшает работу пищеварительной системы и вызывает чувство сытости, что важно при похудении. Также он помогает снизить холестерин и уровень глюкозы в крови.

Наполнен пищевыми волокнами и Питательный коктейль Ежевика из линейки оперативного питания YooGo, содержащий витамины, аминокислоты и полезные жиры. Cбалансированный состав каждой порции обеспечивает организм жизненно важными нутриентами и помогает сохранить ощущение сытости долгое время.

Вред клетчатки

Злоупотребление клетчаткой может спровоцировать обезвоживание и кишечную непроходимость. Чтобы избежать этих последствий, не превышайте суточную норму потребления пищевых волокон и пейте больше чистой воды.

Некоторые растительные продукты содержат много неперевариваемых частей, которые могут скапливаться в желудке и кишечнике, образуя плотную массу под названием безоар. Например, опасны косточки фиников, инжира, яблок, винограда, семена граната, плоды черемухи, перегородки плодов цитрусовых,а также мякоть хурмы в большом количестве натощак.

Также не рекомендуется употреблять клетчатку при обострениях заболеваний желудочно-кишечного тракта.

Пребиотики — ключ к хорошему пищеварению

В прошлых статьях мы с вами рассмотрели основные компоненты пищи (или макронутриенты) – белки, жиры и углеводы, которые составляют базу нашего питания. Сегодня я хочу рассказать вам о еще одном важном компоненте, который формально не является отдельным макронутриентом, но без которого наше питание не будет сбалансированным. Это – клетчатка и некоторые другие виды сложных углеводов. Все вместе их можно назвать пребиотики. Давайте всё рассмотрим по порядку.

Нерастворимая клетчатка

Нерастворимая клетчатка относится к сложным углеводам или полисахаридам. Другое её название – пищевые волокна. Основные её представители – это целлюлоза, гемицеллюлоза, пектин, лигнин и другие. Клетчатка – это главный компонент и опорный материал клеточных стенок растений. Соответственно, единственным источником клетчатки служат фрукты, овощи, зерновые, бобовые, зелень. В животной пище (мясе, рыбе, яйцах) клетчатка отсутствует.

Нерастворимая клетчатка (такая, как целлюлоза и лигнин) не растворяется в воде и в обычных условиях не гидролизуется кислотами. Соответственно, такая клетчатка не переваривается пищеварительными ферментами и не усваивается человеком. Что же в ней такого полезного, спросите вы? А вот что.

Она проходит по пищеварительному тракту практически в неизмененном виде и не всасывает воду, этим способствуя сохранению воды в кишечнике, ускоряет проход пищи по пищеводу и размягчает каловые массы, чем снискала себе славу отличного средства от запоров. Она способствует детоксикации организма, абсорбируя и выводя различные вредные соединения и даже некоторых паразитов. За счет того, что клетчатка понижает гликемический индекс углеводов, она способна предотвращать скачки сахара в крови. Поэтому, если вы едите что-то, содержащее простые сахара (например, макароны), то лучше всего сочетать их именно с овощами. То же касается и сладких продуктов: фрукты, сухофрукты и мёд всегда предпочтительнее любых промышленных сладостей или выпечки именно потому, что помимо витаминов и минералов они содержат и пищевые волокна. Нерастворимая клетчатка находится, в основном, в жёстких частях растений – например, в кожице, оболочке цельного зерна (в том числе, отрубях).

В 1970-80-е года клетчатку называли «балластным веществом», так как её роль для пользы организма в то время была малоизучена и сильно недооценена. Со временем учёные доказали, что, несмотря на то, что пищевые волокна сами по себе не содержат незаменимых пищевых веществ, их потребление является обязательным условием нормального функционирования желудочно-кишечного тракта и поддержания здоровья всего организма.

Установлено, что клетчатка уменьшает риск сердечно-сосудистых заболеваний, сахарного диабета и некоторых форм рака. В результате многочисленных исследований питания населения в различных странах мира выяснилось, что чем больше пищевых волокон находится в рационе человека, тем реже наблюдаются упомянутые выше заболевания.

Разнообразие — ключ к успеху // Спасибо за фото www.firestock.ru

Пищевые волокна обладают гипохолестеринемическим и гипогликемическим эффектом. Ускоряя перистальтику кишечника, пищевые волокна способствуют выведению из организма холестерина, а также связывают и выводят из кишечника токсические элементы (тяжелые металлы) и органические чужеродные вещества, обладающие канцерогенным эффектом. Пища, богатая пищевыми волокнами, как правило, менее калорийна, содержит мало жира, много витаминов и минеральных веществ. Пищевые волокна увеличивают чувство насыщения, способствуют перистальтике кишечника, формируют и размягчают стул. Помимо этого, клетчатка играет ключевую роль в поддержании сильного иммунитета, о чем мы поговорим ниже подробнее.

Использование пищевых волокон в питании одобрено организациями здравоохранения многих стран, такими как Комиссия по надзору за продовольствием и лекарственными средствами (FDA), Американская ассоциация кардиологов (AHA), Европейская комиссия по функциональным пищевым продуктам (FUFOSE), Министерство здравоохранения Японии. В России вопросами применения пищевых волокон занимается Роспотребнадзор. Норма потребления пищевых волокон в России – 20-30 г (а многие врачи уже рекомендуют до 40 г). В США норма уже пересмотрена и повышена в 2 раза — до 50 г в сутки. К сожалению, среднестатистический россиянин употребляет всего 10-15 г клетчатки в день, что крайне мало. Хотя, надо признать, в этом мы мало отличаемся от других представителей развитых стран. Вот она – цена за цивилизацию: промышленно произведенные, переработанные до неузнаваемости, упакованные в пластик продукты и фаст фуд не несут в себе практически никакой пользы.

Растворимая клетчатка

Некоторые виды сложных углеводов при расщеплении образую нечто вроде геля, обволакивающего стенки кишечника. Это так называемая растворимая клетчатка.  К ней можно отнести пектин, гемицеллюлозу, камеди, слизи, галактоолигосахариды и фруктоолигосахариды, в том числе инулин. Растворимая клетчатка, наоборот, замедляет пищеварение, но при этом так же способствует снижению уровня холестерина. Водорастворимые пищевые волокна (пектин, гемицеллюлоза, камеди, слизи) содержатся в садовых и лесных ягодах, продуктах моря (морская капуста, водоросли), фруктах (яблоки, груши, персики, абрикосы, сливы, цитрусовые), семенах некоторых пряных растений (льняное семя, кориандр), в плодах и корнеплодах, в белом слое кожуры цитрусовых, в клеточном соке растений.

Лук, чеснок и корнеплоды — отличный источник клетчатки! // Спасибо за фото www.firestock.ru

Галактоолигосахариды, как и другие виды клетчатки, не перевариваются в кишечнике и за счет этого стимулируют его работу, оказывая положительный эффект на пищеварение, в то время как их нехватка в питании может привести к дисбактериозу, колиту и вздутию живота. Источники галактоолигосахаридов — это молочные продукты (особенно женское грудное молоко), топинамбур, соя, чеснок, лук, спаржа, помидоры, лук-порей, цикорий, артишок, одуванчик, бананы, ягоды, манго, яблоки, ржаные отруби и мёд. Избыток галактоолигосахаридов с едой получить довольно сложно. Норма их потребления – примерно 15 г в сутки.

Фруктоолигосахариды тоже проходят через тонкий кишечник нетронутыми, так как в нашем теле нет соответствующих ферментов для их расщепления. По своим функциям и положительным эффектам фруктоолигосахариды схожи с другими видами клетчатки. Особое влияние они оказывают на усвоение магния и кальция организмом, поэтому регулярное их употребление способствует минеральному балансу. Кроме того, они устраняют запоры и раздражение кишечника, нормализуют гормональный фон, защищают от рака. Богатым источником фруктоолигосахаридов являются такие продукты как спаржа, топинамбур, чеснок, корень цикория, лук (шалот, порей, красный), спелые бананы, злаки, мёд, сахарный тростник и водоросли. Инулин, один из видов фруктоолигосахаридов, встречается в большом количестве растений, а промышленно его добывают из цикория, топинамбура и агавы.

Фруктоолигосахариды пока относят к сравнительно новым, еще недостаточно изученным компонентам пищи. Так, например, некоторые исследования показывают, что эти вещества являются кормом не только для хороших бактерий в нашем кишечнике, но и для условно патогенных (например, таких как дрожжи и клебсиелла, которые способны вызывать кандидоз и кишечную проницаемость). При этом, другие исследования установили рост количества полезных для нас бифидобактерий на фоне гибели болезнетворных микроорганизмов и общее улучшение состояния ЖКТ. Ряд опытов на лабораторных крысах отмечает противораковый эффект от применения фруктоолигосахаридов. Тем не менее, суточную дозу фруктоолигосахаридов пока установить не удалось, и большинство ученых склоняется всё к тем же 5-10 граммам, но не более 15 г (если иное не предписано по медицинским показаниям).

Зачем нам пребиотики?

Как уже было упомянуто выше, клетчатка помогает поддерживать наш иммунитет на высоком уровне. Как же так происходит, что то, что мы не усваиваем, так сильно влияет на нас? Всё дело в том, что растворимая клетчатка является пищей для нашей микробиоты – множества бактерий, живущих в нашем теле. Как известно, около 80 % бактерий живут в нашем кишечнике, особенно в толстой его части. Микробиологи насчитали уже порядка 400 различных штаммов «хороших» бактерий, а всего в нашем теле более 50 триллионов микроорганизмов, что примерно в 1.3 раза больше, чем наших собственных клеток! Это сложно себе представить: получается, что мы – как-бы не совсем мы, а больше чем на половину — множество малюсеньких существ. Наши бактерии все вместе весят примерно 2 кг, а клетки их настолько меньше клеток нашего собственного тела, что они преспокойно помещаются в нашем кишечнике (а также немного на коже и слизистых).

Всё, что не переваривается в верхних отделах ЖКТ, доходит до толстого кишечника и кормит все эти миллиарды микроорганизмов, населяющих его (происходит т. н. анаэробное пищеварение). Таким образом бактерии получают энергию для жизни и размножения, для выработки определенных полезных нам веществ и витаминов (например, витамин В12 вырабатывается нашей микрофлорой), поддерживают целостность желудочно-кишечного тракта, предотвращают распространение вредоносных видов бактерий и вирусов, а кроме этого, тренируют нашу иммунную систему. Подобные «хорошие» бактерии, помогающие организму хозяина и находящиеся с ним в симбиозе, называются пробиотики, что буквально значит «за жизнь».

Основной пищей для кишечных бактерий является та самая клетчатка, которая в данном аспекте называется пребиотик. Термин этот сравнительно новый – был присвоен пищевым волокнам только в 1995 году. Исследования, проведенные с тех пор, показали, что пребиотические волокна способствуют:

• сокращению численности патогенных бактерий в кишечнике
• росту и развитию полезных штаммов микроорганизмов
• улучшению синтеза витаминов группы В
• повышению всасываемости минералов (особенно магния, фосфора и кальция)
• улучшению регулярности и качества стула
• повышению иммунитета
• насыщению, контролю аппетита и, как следствие, снижению веса
• защите от аллергий
• нормализации давления
• стабилизации уровня холестерина
• защите кишечника от различных заболеваний, в том числе онкологических
• улучшению внешнего вида кожи, избавлению от угрей

Чтобы получать все эти волшебные эффекты, от нас требуется регулярно (каждый день!) кормить свою микрофлору подходящей едой. Бактерии в нашем кишечнике живут колониями и могут населять только определенные территории, более того – в нашем кишечнике всё время идет война между разными колониями (штаммами) хороших и плохих бактерий за «место под солнцем», и побеждает чаще тот, у кого больше пищи. Видовой разброс бактерий в нашем теле может меняться в течение суток – в зависимости от еды, которую мы съели, от места, где мы находимся, от климата, от нашей активности и множества других факторов. То есть, это не фиксированный набор микроорганизмов, а скорее процесс постоянной смены, тренд. И в какую сторону будет меняться наша флора – хорошую или плохую, во многом зависит от нас. Главную роль здесь играет пища, которую мы едим.

Брюссельская капуста — чемпион по клетчатке среди капустных. // Спасибо за фото Keenan Loo с Unsplash.com

Ниже я приведу таблицу с основными продуктами питания и количеством клетчатки в ней. Нужно иметь в виду, что при длительной варке овощи и фрукты теряют до половины своей клетчатки, поэтому максимальное её количество содержится именно в свежих плодах, а если нужно термически обработать продукты, то выбираем тушение или быструю обжарку.  Поскольку получить норму клетчатки только из овощей и фруктов довольно проблематично (нужно съедать как минимум 1,5 кг овощей и фруктов в день), лучше всего включать в свой рацион продукты, наиболее богатые клетчаткой (бобовые, зерновые, орехи), и чем шире спектр продуктов, которые вы едите, чем разнообразнее ваш рацион, тем лучше.

Содержание клетчатки в продуктах (г/100г продукта) (по книге «Химический состав пищевых продуктов», под ред. И. М. Скурихина и М. Н. Волгарева, — М,: ВО «Агропроимздат», 1987 и «Химический состав российских пищевых продуктов» под ред. И. М. Скурихина и В. А. Тутельяна, — М.: ДеЛи принт, 2002):

Из таблицы видно, что цельное зерно предпочтительнее обработанного, а корнеплоды и капустные – отличный источник клетчатки. При этом, не все из них требуется термически обрабатывать – белокочанная, краснокочанная капуста, брокколи, морковь, свёкла отлично подойдут для свежих салатов. Среди фруктов и ягод авокадо – непревзойденный лидер. Грибы – это просто кладезь клетчатки; надеюсь, все успели насушить грибочков на зиму? Орехи также богаты клетчаткой, но увлекаться ими не стоит – всё-таки, они в первую очередь жировой продукт. Вполне достаточно 10-15 орешков в день. Ну и мои любимые бобовые всегда придут на выручку, когда речь идет о клетчатке. Как их правильно готовить и что лучше выбирать, если до этого вы мало употребляли бобовые, можно почитать здесь.

Общая рекомендация по увеличению количества клетчатки в рационе: если вы до этого крайне мало потребляли клетчатки, то у вас в кишечнике может быть недостаточно бактерий нужного типа для ее успешной ферментации. Это может вызвать неприятные ощущения в животе, такие как вздутие и газообразование. Со временем правильные бактерии заселят кишечник, и процесс переваривания пойдет значительно лучше. А пока что, увеличивайте количество клетчатки до нормы понемногу и начинайте с термически обработанных овощей, так как их будет проще переварить.

И не забывайте про продукты с пробиотиками, которые помогут заселить кишечник хорошей микрофлорой: это ферментированные молочные продукты (йогурт, кефир, творог, сыр и т. д.), квашеные овощи (капуста, морковь, свёкла, кимчи, маринованный имбирь и др.), тофу и другие виды ферментированных соевых продуктов, чайный гриб (комбуча) и так далее. Как всегда, выбирайте максимально необработанные промышленно продукты от надежных поставщиков (например, молочные продукты от «счастливой» коровы, которая жила без излишних антибиотиков и гормонов). О том, как еще можно укрепить свой иммунитет, можно прочесть в этой статье. Из всех этих, на первый взгляд, маленьких и неважных кирпичиков выбора выстраивается стена нашего иммунитета, и какая она будет – крепкая и высокая или низкая и с пробоинами, зависит от нас с вами.

Понравилась статья? Буду благодарна, если поделитесь ей в соц. сетях со своими друзьями.

P.S.: Если Вам нужна индивидуальная консультация, подробнее — здесь.

Чтобы ничего не пропустить, присоединяйтесь к моим группам в Facebook и ВКонтакте, а также подписывайтесь на рассылку новостей блога (в правом столбце).

Целлюлоза, получение целлюлозы, применение целлюлозы, состав бумаги, получение бумаги

Целлюлоза

Чистая целлюлозаЦеллюлоза или клетчатки (от лат. cellula — «клетка») — это вещества также имеющие непосредственное отношение к сахарам. Их молекулы связаны между собой водородными связями (слабое взаимодействие) и образованы из множества (от 2000 до 3000) остатков B-глюкозы. Целлюлоза — является основным составляющим компонентом любой растительной клетки. Она содержится в древесине, в оболочках некоторых плодов (например, семечек подсолнечника). В чистом виде целлюлоза — это порошок белого цвета, в воде не растворимый и не образующий клейстер. Чтобы оценить «на ощупь» чистую целлюлозу можно взять, например, хлопковую вату или белый пух тополей.
Это практически тоже самое.
Если сравнивать целлюлозу и крахмал, то крахмал лучше подвергается гидролизу. Гидролиз целлюлозы проводят в кислотной среде, при этом сначала образуется дисахарид целлобиоза, а затем глюкоза.
Целлюлозу широко применяют в промышленности, очитсив её, изготавливают всем нам знакомый целлофан (полиэтилен и целофан отличаются друг от друга на ощупь (целофан не кажется «жирным» и «шуршит» при деформации), а также искусственное волокно — вискозу (от лат. viscosus — «вязкий»).
Попадая в организм, дисахариды (например, сахароза, лактоза) и полисахариды (крахмал) под действием специальных ферментов гидролизуются с образованием глюкозы и фруктозы. Такое превращение можно легко произвести у себя во рту. Если долго жевать хлебный мякиш, то под действием фермента амилазы содержащийся в хлебе крахмал гидролизуется до глюкозы. При этом во рту возникает сладкий вкус.

Ниже представлена схема гидролиза целлюлозы
Гидролиз целлюлозы

Получение бумаги

Гидролиз крахмала

Чистая целлюлоза

Как Вы думаете,что входит в состав бумаги?! На сомом деле – это материал, который представляет собой очень тонко переплётённые волокна целлюлозы. Некоторые из таких волокон объединены водородной связью (связь, образующаяся между группами — OH – гидроксильная группа).
Способ получения бумаги во 2-м веке до нашей эры уже был известен в древнем Китае. На тот момент бумагу изготавливали из бамбука или хлопка. Позже – в 9 веке нашей эры этот секрет попал в Европу.
Для получения бумаги уже в средние века использовались льняные или хлопковые ткани.

Но только в 18 веке нашли наиболее удобный способ получения бумаги – из дерева. А такую бумагу, которой мы сейчас пользуемся, начали изготавливать лишь в 19 веке.

Главным сырьём для получения бумаги является целлюлоза. Сухое дерево содержит приблизительно 40% такой целлюлозы. Остальная часть дерева – это различные полимеры, состоящие из сахаров различных видов, в том числе фруктозы, сложных веществ – фенолспиртов, различных дубильных веществ, солей магния, натрия и калия, эфирных масел.

Получение целлюлозы

Получение целлюлозы связано с механической переработкой древесины и затем проведение химических реакций с опилками.
Хвойные деревья измельчают до мелких опилок. Эти опилки помещают в кипящий раствор, содержащий NaHSO₄ (гидросульфид натрия) и SO₂ (сернистый газ). Кипячение проводят при высоком давлении (0,5 МПа) и в течении длительного времени (около 12 часов).
При этом в растворе происходит химическая реакция, в результате которой получается вещество гемицеллюлоза и вещество лигнин (лигнин — это вещество, представляющее собой смесь ароматических углеводородов или ароматическую часть дерева), а также основной продукт реакции – чистая целлюлоза, которая выпадает в виде осадка в ёмкости, где проводится химическая реакция. Кроме того, в свою очередь лигнин взаимодействует с сернистым газом в растворе, в результате чего получается
этиловый спирт, ванилин, различные дубильные вещества, а также дрожжи пищевые.

Дальнейший процесс получения целлюлозы связан с измельчением осадка при помощи роллов, в результате чего получаются частицы целлюлозы около 1 мм. А когда такие частицы попадают в воду, то сразу набухают и образуют бумагу. На этом этапе бумага ещё не похожа на себя и выглядит, как взвесь волокон целлюлозы в воде.

На следующем этапе бумаге придают её основные свойства: плотность, цвет, прочность, пористость, гладкость, для чего в ёмкость с целлюлозой добавляют глину, оксид титана, оксид бария, мел, тальк и дополнительные вещества, связывающие волокна целлюлозы.
Дальше волокна целлюлозы обрабатывают специальным клеем на основе смолы и канифоли. В его состав входят резинаты. Если добавить в этот клей алюмокалиевые квасцы, то происходит химическая реакция и образуется осадок резинатов алюминия. Это вещество способно обволакивать целлюлозные волокна, что придаёт им влагонепроницаемость и прочность.
Получившаяся масса равномерно наносится на движущуюся сетку, где она отжимается и высыхает. Здесь уже формирование бумажное полотно.
Для придания бумаге большей гладкости и блеска её пропускают сначала между металлическими, а затем между плотными бумажными валами (проводят каландрирование), после чего бумагу режут на листы специальными ножницами.

Как вы думаете, почему со временем желтеет бумага!?

Оказывается, молекулы целлюлозы, которые были выделены из дерева, состоят из большого числа структурных единиц типа С₆Н₁₀О₅, которые под действием ионов атома водорода в течении определённого времени теряют между собой связи, что приводит к нарушению общей цепочки. При таком процессе бумага приобретает хрупкость и теряет свой первоначальный цвет. Ещё происходит, как говорят, подкисление бумаги.
Для того, чтобы восстановить разрушающуюся бумагу, применяют гидрокарбонат кальция Са(НСО₃)₂), который позволяет временно снизить кислотность.

Есть и другой – более прогрессивный способ, связанный с применением вещества диэтилцинка Zn(C₂H₅)₂. Но это вещество может самовоспламеняться на воздуха и даже в близости от воды!

Применение целлюлозы

Кроме того, что целлюлозу используют для производства бумаги, ещё пользуются очень полезным её свойством этерификации c различными неорганическими и органическими кислотами. В процессе таких реакций образуются сложные эфиры, которые и нашли применение в промышленности. При самой химической реакции связи, которыми связаны фрагменты молекулы целлюлоза, не разрываются, а получается новое химическое соединение с эфирной группой -COOR-.
Одним из важных продуктов реакции является ацетат целлюлозы, который образуется при взаимодействии уксусной кислоты (или её производных, например уксусного альдегида) и целлюлозы. Это химическое соединение широко используется для изготовления синтетических волокон, например, ацетатного волокна.

Ещё один полезный продукт — тринитрат целлюлозы. Он образуется при нитровании целлюлозы смесью кислот: концентрированной серной и азотной. Тринитрат целлюлозы широко используется при изготовлении бездымного пороха (пироксилина).
Существует ещё динитрат целлюлозы, который применяется для изготовления некоторых видов пластмасс и органических стекол.

Всё об ингредиентах для выпечки

Клетчатка имеет исключительно растительное происхождение. Она представляет собой сложное переплетение растительных волокон. Её содержание велико в овощах, фруктах, семенах, листьях капусты, зернах злаковых растений. Человеческий организм не способен усваивать клетчатку, т.к. это сложная форма углеводов. Несмотря на этот факт, растительные волокна являются неотъемлемой частью нашего рациона. Они давно стали символизировать правильное и здоровое питание человека. Выделяют несколько видов клетчатки: целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин, камеди, пектин. Их можно встретить в самых различных продуктах. К примеру, целлюлоза в изобилии содержится в отрубях, капусте, яблоках, моркови перце; гемицеллюлоза — в отрубях, свекле, неочищенных зернах злаков, побегах горчицы и брюссельской капусте. Лигнин также содержится в плодах семейства злаковых, отрубях, горохе и клубнике. Камеди присутствуют в любом овсяном продукте, будь то каша, печенье или мука. И, наконец, пектин можно найти в яблоках, ягодах некоторых растений, моркови и любой из разновидностей капусты. Каждый вид клетчатки по-разному действуют на наше тело. Камеди и пектин влияют на всасывание жира и сахара, понижают уровень холестерина. При регулярном включении соответствующих продуктов диабетики могут уменьшать дозу инсулина. Лигнин позволяет заметно ускорить время прохождения еды по пищеварительному тракту. Целлюлоза вместе с гемицеллюлозой служат для предотвращения запоров, рака кишечника и т.д. Благодаря клетчатке мы быстрее ощущаем насыщение, что очень полезно для профилактики ожирения. Кроме того, включение её в дневной рацион, дает возможность не нагружать поджелудочную железу. Теперь мы расскажем более подробно о продуктах, которые богаты клетчаткой. Среди фруктов выделяются яблоки, чернослив, груши, абрикосы, сухофрукты. Из экзотических плодов лидерами являются апельсины, лимоны, бананы, грейпфруты. Не забывайте, что только свежие фрукты сохраняют 100% клетчатки. Сырые овощи и свежая зелень тоже содержат много клетчатки. Постоянное присутствие в вашем рационе кабачков, помидоров, огурцов, свеклы, моркови, тыквы, зелени сельдерея, петрушки, укропа, листьев салата, избавит вас от многих заболеваний пищеварительной системы. Обязательное условие употребления этих продуктов — тщательное их разжевывание. Орехи (грецкие, лесные, арахис, миндаль) и семечки полезны, если не смешивать их с медом. Для лучшего усвоения они должны употребляться вместе с зелеными овощами. Бесспорно, одно из первых мест по содержанию клетчатки занимают злаковые растения. Очень полезны сорта хлеба из цельнозерновой муки, отруби, овсяные, кукурузные, зародышевые хлопья. Помимо клетчатки они содержат и другие важные элементы. Так, в отрубях содержится много кремния, который укрепляет нервную систему, влияет на работу сердца, улучшает качество ногтей, волос и т.д. То, что важно знать о клетчатке: Не нужно начинать употребление клетчатки с больших порций. Делайте это постепенно, давая организму привыкнуть. Во время термической обработки овощи и фрукты теряют до 50% клетчатки и других полезных элементов, поэтому есть их нужно в сыром виде. Свежевыжатые соки сохраняют клетчатку, если в них осталась мякоть. Очень важно по утрам съедать хотя бы небольшую порцию каши, содержащую клетчатку. Периодически употребляйте в пищу бобовые растения. Вместо сладостей и мучных изделий кушайте фрукты. Ежедневная норма употребления клетчатки взрослым человеком должна составлять около 1 столовой ложки отрубей, либо около 200 граммов овощей, фруктов (примерно 35 граммов). Вместо отрубей в чистом виде можете употреблять цельнозерновой хлеб. Он также богат клетчаткой. Теперь вы знаете, что такое клетчатка и в каких продуктах её много. Главное в нашей жизни придерживаться правильного питания. Так вы защитите свой организм от многих болезней современности.

Все ли пищевые волокна одинаковы?

Клетчатка снижает уровень холестерина в крови и помогает предотвратить дивертикулез. Также хорошо известно, что он предотвращает запоры. Однако для того, чтобы клетчатка выполняла все свои функции, важно знать, что существует более одного типа клетчатки, и каждый из них по-разному реагирует в пищеварительной системе. Учтите эту информацию.

• Клетчатка — это часть растения, которая не переваривается ферментами в кишечном тракте.Различные виды растений также различаются по количеству и типу клетчатки, поэтому необходимо знать источник клетчатки.

• Клетчатка в растениях может быть идентифицирована как пектин, камедь, слизь, целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин. Пектин и камедь — водорастворимые волокна, содержащиеся в клетках растений. Они замедляют прохождение пищи через кишечник, но ничего не делают для увеличения объема. Нерастворимые волокна, такие как целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин, увеличивают объем и ускоряют прохождение пищи через пищеварительный тракт.Пшеничные отруби и цельнозерновые продукты содержат наибольшее количество нерастворимой клетчатки, но овощи и бобы также являются хорошими источниками.

• Одним из преимуществ диеты с достаточным количеством клетчатки является более низкий уровень холестерина, который полезен для здоровья сердца и диабета. Есть также исследования, которые связывают это с уменьшением шансов рака толстой кишки из-за правильного пищеварения. Наконец, клетчатка была связана с потерей веса из-за ее способности вызывать ощущение сытости.

• Пищевые волокна содержатся только в растительной пище, включая фрукты, овощи, орехи и злаки. Мясо, молоко и яйца не содержат клетчатки. Форма пищи может влиять или не влиять на содержание клетчатки. Консервированные и замороженные фрукты и овощи содержат такое же количество клетчатки, как и сырые. Однако другие виды обработки могут снизить содержание клетчатки. Обезвоживание, похоже, не приводит к значительному снижению содержания клетчатки; однако сушка до хрустящей корочки или измельчение овощей, зелени и т. д., может нарушить водоудерживающие свойства волокна.

• По оценкам, средний взрослый американец потребляет 14 граммов пищевых волокон в день, что значительно меньше рекомендуемого уровня. Текущие диетические рекомендации для американцев (2010 г.) рекомендуют 14 граммов на 1000 калорий. В среднем это составляет около 25 граммов в день для женщин и 38 граммов в день для мужчин.

• Чтобы этикетка продукта гласила, что он «с высоким содержанием клетчатки», он должен содержать 5 или более граммов клетчатки на порцию.Этикетки с заявлением о том, что это «хороший источник» клетчатки, должны содержать от 2,5 до 4,9 граммов на порцию.

• Несмотря на то, что клетчатка важна, это лишь часть правильно сбалансированной диеты. Вполне возможно, что слишком большое количество клетчатки может снизить количество кальция, железа, цинка, меди и магния, усваиваемых с пищей.

• Добавки с клетчаткой продаются в различных формах, от таблеток отрубей и очищенной целлюлозы до порошкообразного подорожника.Многие слабительные средства, которые продаются как размягчители стула, на самом деле являются добавками клетчатки. Важно отметить, что главная рекомендация по потреблению клетчатки — это есть разнообразные продукты, богатые клетчаткой. Это лучший способ получить максимальную пользу от клетчатки и необходимых питательных веществ.

Автор: Кэтлин Риггз — 19 августа 2011 г.

Целлюлоза | Энциклопедия.com

Структура целлюлозы

Как целлюлоза устроена в стенках растительных клеток

Переваривание целлюлозы

Ресурсы

Целлюлоза — это вещество, которое содержится в клеточных стенках растений. Хотя целлюлоза не входит в состав человеческого тела, она, тем не менее, является самой распространенной органической макромолекулой на Земле. Научное сообщество впервые обнаружило целлюлозу в 1833 году, когда она изучалась в стенках растительных клеток. По химической структуре целлюлоза напоминает крахмал, но в отличие от крахмала целлюлоза чрезвычайно жесткая (рис. 1).Эта жесткость придает большую прочность телу растения и защищает внутреннюю часть растительных клеток.

Как и крахмал, целлюлоза состоит из длинной цепи, состоящей не менее чем из 500 молекул глюкозы. Таким образом, целлюлоза является полисахаридом (от латинского «много сахаров»). Некоторые из этих полисахаридных цепей расположены параллельными рядами, образуя микрофибриллы целлюлозы. Отдельные полисахаридные цепи связаны в микрофибриллах водородными связями. Микрофибриллы, в свою очередь, связываются вместе, образуя макрофибриллы (рис. 1).

Микрофибриллы целлюлозы чрезвычайно прочные и негибкие из-за наличия водородных связей. Фактически, описывая структуру микрофибрилл целлюлозы, химики называют их расположение кристаллическим, что означает, что микрофибриллы обладают кристаллоподобными свойствами. Хотя крахмал имеет ту же основную структуру, что и целлюлоза — это также полисахарид, — субъединицы глюкозы связаны таким образом, что позволяет молекуле крахмала скручиваться. Другими словами, молекула крахмала гибкая, а молекула целлюлозы жесткая.

Подобно человеческой кости, стенки клеток растений состоят из фибрилл, расположенных в матрице или фоновом материале. В клеточной стенке фибриллы представляют собой микрофибриллы целлюлозы, а матрица состоит из других полисахаридов и белков. Одним из этих матричных полисахаридов в клеточных стенках является пектин, вещество, которое при нагревании образует гель. Пектин — это вещество, которое повара используют для приготовления желе и джемов.

Расположение микрофибрилл целлюлозы в полисахаридной и белковой матрице придает большую прочность стенкам растительных клеток.Клеточная стенка растений выполняет несколько функций, каждая из которых связана с ее жесткостью. Он защищает внутреннюю часть растительной клетки, но также позволяет циркулировать жидкости внутри и вокруг клеточной стенки. Клеточная стенка также связывает растительную клетку с ее соседями. Это связывание создает

КЛЮЧЕВЫЕ УСЛОВИЯ

Анаэробный — Описывает биологические процессы, происходящие в отсутствие кислорода.

Клеточная стенка — Жесткое внешнее покрытие растительных клеток, состоящее из микрофибрилл целлюлозы, скрепленных в матрице.

Синтетаза целлюлозы — Фермент, встроенный в плазматическую мембрану, который синтезирует целлюлозу.

Толстая кишка — Терминальная часть пищеварительного тракта человека.

Тело Гольджи — Органелла, которая производит, сортирует и транспортирует макромолекулы внутри клетки.

Лигнин— Полисахарид, образующий вторичную клеточную стенку у некоторых растений.

Матрица — Материал, состоящий из полисахаридов и белка, в котором микрофибриллы целлюлозы встроены в стенки растительных клеток.

Метан— Газ, образующийся при анаэробном переваривании целлюлозы бактериями у некоторых животных.

Микрофибрилла— Мелкие фибриллы целлюлозы; состоит из параллельных массивов целлюлозных цепей.

Полисахарид— Молекула, состоящая из множества субъединиц глюкозы, расположенных в цепочку.

Жвачное животное — Жевательное животное с четырехкамерным желудком и ровными копытами.

прочный, жесткий каркас тела растения.Стенки клеток являются причиной того, что растения прямостоячие и жесткие. У некоторых растений вторичная клеточная стенка перекрывает первичную клеточную стенку. Вторичная клеточная стенка состоит из еще одного полисахарида, называемого лигнином. Например, лигнин содержится в деревьях. Наличие как первичных, так и вторичных клеточных стенок делает дерево еще более жестким, проницаемым только острыми топорами.

В отличие от других компонентов клеточной стенки, которые синтезируются в теле растения Гольджи (органелле, которая производит, сортирует и транспортирует различные макромолекулы внутри клетки), целлюлоза синтезируется на поверхности растительной клетки.В плазматическую мембрану растения встроен фермент, называемый синтетазой целлюлозы, который синтезирует целлюлозу. По мере синтеза целлюлозы она самопроизвольно образует микрофибриллы, которые откладываются на поверхности клетки. Поскольку фермент синтетазы целлюлозы расположен в плазматической мембране, новые микрофибриллы целлюлозы откладываются под более старыми микрофибриллами целлюлозы. Таким образом, самые старые микрофибриллы целлюлозы расположены на

наружу на клеточной стенке, в то время как более новые микрофибриллы находятся на самой внутренней стороне стенки клетки.

По мере роста растительная клетка должна расширяться, чтобы приспособиться к растущему объему клетки. Однако, поскольку целлюлоза настолько жесткая, она не может растягиваться или сгибаться, чтобы позволить этому росту. Вместо этого микрофибриллы целлюлозы скользят друг мимо друга или отделяются от соседних микрофибрилл. Таким образом, клеточная стенка может расширяться, когда объем клетки увеличивается во время роста.

У людей отсутствует фермент, необходимый для переваривания целлюлозы. Сено и травы особенно богаты целлюлозой, и оба они не усваиваются человеком (хотя люди могут переваривать крахмал).Все животные, такие как термиты и травоядные, такие как коровы, коалы и лошади, переваривают целлюлозу, но даже у этих животных нет фермента, который переваривает этот материал. Вместо этого эти животные содержат микробы, способные переваривать целлюлозу.

Термит, например, содержит в кишечнике простейших (одноклеточных организмов), называемых мастигофоранами, которые осуществляют переваривание целлюлозы. Вид мастигофора, который выполняет эту функцию для термитов, называется Trichonympha, , который, что интересно, может вызывать у человека серьезную паразитарную инфекцию.

У таких животных, как коровы, в пищеварительном тракте есть анаэробные бактерии, которые переваривают целлюлозу. Коровы — это жвачные животные, или животные, которые жуют жвачку. У жвачных животных несколько желудков, которые расщепляют растительный материал с помощью ферментов и бактерий. Затем частично переваренный материал срыгивает в рот, который снова пережевывается, чтобы еще больше разложить материал. Бактериальное переваривание целлюлозы бактериями в желудках жвачных животных является анаэробным, что означает, что в этом процессе не используется кислород.Одним из побочных продуктов анаэробного метаболизма является метан, газ с неприятным запахом. Жвачные животные ежедневно выделяют большое количество метана. Фактически, многие защитники окружающей среды обеспокоены производством метана коровами, потому что метан может способствовать разрушению озона в стратосфере Земли.

Несмотря на то, что целлюлоза не усваивается людьми, она является частью человеческого рациона в виде растительной пищи. Небольшое количество клетчатки, содержащейся в овощах и фруктах, проходит через пищеварительную систему человека в неизменном виде.Целлюлоза является частью материала, называемого клетчаткой, которую диетологи и диетологи определили как полезную для быстрого и эффективного перемещения пищи по пищеварительному тракту. Считается, что диета с высоким содержанием клетчатки снижает риск рака толстой кишки, поскольку клетчатка сокращает время, в течение которого продукты жизнедеятельности остаются в контакте со стенками толстой кишки (конечной частью пищеварительного тракта).

См. Также Руминация.

КНИГИ

Хон, Дэвид Н. С. и Нобуо Сираиси. Древесина и целлюлозная химия. New York: Marcel Dekker, 2001.

Koshijima, Tetsup. Связь между лигнином и углеводами в древесине и других тканях растений. Берлин и Нью-Йорк: Springer, 2003.

OTHER

Мартин Чаплин, Лондонский университет Саут-Бэнк. «Вода

Структура и поведение: целлюлоза». (по состоянию на 4 октября 2006 г.).

Кэтлин Скогна

Натуральные целлюлозные волокна — натуральные волокна

Целлюлозные волокна

Натуральные волокна бывают растительного, животного или минерального происхождения.Растительные волокна, как следует из названия, получают из растений. Основным химическим компонентом растений является целлюлоза, поэтому их также называют целлюлозными волокнами.

Волокна обычно связаны природным фенольным полимером, лигнином, который также часто присутствует в клеточной стенке волокна; таким образом, растительные волокна также часто называют лигноцеллюлозными волокнами, за исключением хлопка, который не содержит лигнин.

Целлюлоза — волокнистый материал растительного происхождения и основа всех натуральных и искусственных целлюлозных волокон.Натуральные целлюлозные волокна включают хлопок, лен, коноплю, джут и рами. Основным искусственным целлюлозным волокном является вискоза, волокно, получаемое путем регенерации растворенных форм целлюлозы.

Целлюлоза — это полимерный сахар (полисахарид), состоящий из повторяющихся звеньев 1,4-8-a-гидроглюкозы, связанных друг с другом 8-эфирными связями.

Длинные линейные цепи целлюлозы позволяют гидроксильным функциональным группам на каждой безводной глюкозной единице взаимодействовать с гидроксильными группами на соседних цепях посредством водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса.Эти сильные межмолекулярные силы между цепями в сочетании с высокой линейностью молекулы целлюлозы объясняют кристаллическую природу целлюлозных волокон.

Семенные волокна

1. Хлопок

   Хлопок — это наиболее часто используемое натуральное целлюлозное волокно. Волокна хлопка растут из семян в коробочке (семенной коробочке). Каждая коробочка содержит семь или восемь семян, и из каждого семени может вырасти до 20 000 волокон.

2. Кокосовое волокно

   Кокосовое волокно образуется из волокнистой массы между внешней оболочкой и шелухой кокосовых орехов.Это жесткое волокно. Обычно из него делают очень прочные коврики, коврики и плитку для дома и улицы.

3. Капок

   Волокно капока получают из семян Яванского или индийского дерева капок. Волокно мягкое, легкое и пустотелое. Он легко ломается, и его сложно прядить в пряжу. Используется как волокнистый наполнитель и как набивка для подушек. Раньше его использовали в качестве набивки для спасательных жилетов и матрасов на круизных лайнерах, потому что он очень плавучий.

4. Молочай

   У молочая есть свойства, аналогичные свойствам капока.

Лубяные волокна

1. Лен

   Лен — одно из старейших текстильных волокон, но его использование сократилось с момента изобретения силового прядения для хлопка. Льняная ткань — это лен, хотя слово лен сейчас часто используется для обозначения тканей для столов, постельных принадлежностей и ванн, изготовленных из других материалов.

2. Рами

   Волокна Рами имеют длину от 4 до 6 дюймов. Волокна белее и мягче льна. Рами плохо удерживает красители, если не подвергается химической чистке.Ramie прочен на натуральное волокно, но ему не хватает упругости, эластичности и потенциала к удлинению. Устойчив к плесени, насекомым и усадке. Он используется для изготовления одежды, оконных украшений, веревок, бумаги, а также столового и постельного белья.

3. Конопля

   Конопля похожа на лен. Волокна имеют длину от 3 до 15 футов. Производство конопли запрещено законом в США. Конопля оказывает незначительное воздействие на окружающую среду; не требует пестицидов. На том же участке земли он производит на 250% больше волокна, чем хлопок, и на 600% больше волокна, чем лен.Растения конопли можно использовать для извлечения цинка и ртути из почвы. Конопля используется для изготовления веревок, одежды и бумаги. Мошенники готовы платить завышенные цены за одежду из конопли, потому что она связана с растением марихуаны.

4. Джут

   Джут — одно из самых дешевых текстильных волокон и одно из самых слабых целлюлозных волокон. Джут имеет плохую эластичность, удлинение, устойчивость к солнечному свету, плесени и стойкость цвета. Он используется для производства пакетов для сахара и кофе, ковровых покрытий, веревок и настенных покрытий.Мешковину делают из джута.

Листовые волокна

1. Пинья

   Волокна пинья происходят из листьев ананаса. Из него делают легкие, прозрачные, жесткие ткани для одежды, сумок и столового белья. Также из него делают циновки.

2. Abaca

   Абака принадлежит к семейству банановых деревьев. Волокна грубые и очень длинные (до 15 футов). Это прочное, долговечное и гибкое волокно, используемое для изготовления веревок, ковриков, скатертей, одежды и плетеной мебели.

Классификация растительных волокон

Растительные волокна классифицируются в соответствии с их источником в растениях следующим образом:

1. Волокна луба или стебля, которые образуют волокнистые пучки во внутренней коре (флоэме или лубе) стеблей растений, часто называют мягкими волокнами для текстильных изделий
2. Волокна листьев, которые проходят через листья однодольных растений, также называются твердыми волокнами.
3. Волокна из семени, источник хлопка, который является важнейшим растительным волокном.Существует более 250 000 видов высших растений; однако только очень ограниченное количество видов использовалось в коммерческих целях (<0,1%).

Волокна лубяных и листовых волокон являются неотъемлемой частью структуры растения, обеспечивая прочность и поддержку. У лубяных волокон волокна расположены рядом с внешней корой луба или флоэмы и служат для укрепления стеблей этих тростниковых растений.

Волокна расположены в прядях по длине стержня или между стыками.Чтобы отделить пряди, необходимо удалить связывающую их натуральную резинку. Эта операция называется вымачиванием (контролируемым гниением).

Для большинства применений, особенно для текстильных изделий, это длинное волокно композитного типа используется напрямую; однако, когда такие волокна превращаются в целлюлозу химическим способом, прядь разбивается на гораздо более короткие и более тонкие волокна, окончательные волокна.

Длинные листовые волокна придают прочности листьям некоторых недревесных однодольных растений. Они проходят в продольном направлении на всю длину листа и утопают в тканях паренхиматозного характера.Волокна, находящиеся ближе всего к поверхности листа, являются самыми прочными.

Волокна отделяются от пульпы путем соскабливания, потому что между волокном и пульпой мало связи; эта операция называется декортикацией. Пряди листовых волокон также имеют многоклеточную структуру.

Древние люди использовали веревки в рыболовстве, ловле и транспортировке, а также в тканях для одежды. Изготовление веревок и шнуров началось во времена палеолита, как видно на наскальных рисунках. Веревки, шнуры и ткани изготавливались из тростника и травы в Древнем Египте (400 г. до н.э.).Веревки, лодки, паруса и циновки были сделаны из волокон пальмовых листьев и стеблей папируса, а также поверхностей для письма, известных как папирус, из сердцевины.

Джут, лен, рами, осока, тростник и тростник издавна использовались для изготовления тканей и корзин. Джут выращивали в Индии в древние времена и использовали для прядения и ткачества. Считается, что первая настоящая бумага была сделана на юго-востоке Китая во втором веке нашей эры из старых тряпок (лубяных волокон) конопли и рами, а затем из лубяных волокон тутового дерева.

Мировые рынки растительных волокон в последние годы неуклонно сокращаются, в основном в результате замещения синтетическими материалами.

Джут традиционно является одним из основных лубяных волокон (тоннаж), продаваемых на мировом рынке; однако резкое сокращение экспорта джута Индией указывает на снижение рыночного спроса на это волокно, которое имеет жизненно важное значение для экономики Индии (Западная Бенгалия), Бангладеш и Пакистана.

Характеристики натурального целлюлозного волокна

Волокно	Недвижимость
Рами — одна из старейших волокнистых культур, которая использовалась не менее шести тысяч лет.Он также известен как китайская трава.	Ramie требует химической обработки для удаления смолы с волокна. Это тонкое впитывающее, быстросохнущее волокно, немного жесткое и обладает высоким естественным блеском. Высота растения 2,5 м, а прочность в восемь раз больше, чем у хлопка
В зависимости от обработки, используемой для удаления волокна со стебля, конопля может быть кремово-белой, коричневой, серой, черной или зеленой.	Волокно желтовато-коричневого цвета Волокна конопли могут иметь длину от 3 до 15 футов по всей длине растения Конопляное волокно отличается превосходной прочностью и долговечностью, устойчивостью к ультрафиолету и плесени, комфортом и хорошей впитываемостью.
Джут является одним из самых дешевых натуральных волокон и уступает только хлопку по объему производства и разнообразию использования. Джутовые волокна состоят в основном из целлюлозы и лигнина растительного сырья.	Джут — это длинное, мягкое, блестящее растительное волокно, из которого можно образовать грубые прочные нити. Таким образом, это лигноцеллюлозное волокно, которое частично представляет собой текстильное волокно, а частично — дерево. Растение вырастает до 2,5 м в высоту и имеет длину волокон около 2 м. Обычно используется в геотекстиле. Обладает хорошей устойчивостью к микроорганизмам и насекомым. Обладает низкой прочностью во влажном состоянии, низким удлинением и недорогим в производстве.
Волокно, полученное механическим путем из сухой зрелой кокосовой шелухи после замачивания.	Это длинное, твердое и прочное волокно, но с меньшей мягкостью, меньшей водопоглощающей способностью и более коротким сроком службы, чем у длиннометрового волокна.
Волокно капока — это шелковистое, похожее на хлопок вещество, которое окружает семена в стручках дерева сейба.	Он может выдерживать в воде вес, в 30 раз превышающий его собственный, и теряет лишь 10 процентов плавучести за 30-дневный период. В восемь раз легче хлопка Чрезвычайно используется в качестве теплоизолятора. Он также легкий, не вызывает аллергии, нетоксичен, устойчив к гниению и не имеет запаха. Поскольку он неэластичный и слишком хрупкий, его нельзя прядить. Обладает выдающимися характеристиками легкости, водонепроницаемости, теплоизоляции и экологичности.

Целлюлозное волокно — обзор

13.3.1 Нановолокна целлюлозы

Целлюлозные волокна определяются как пучок микрофибрилл, в которых молекулы целлюлозы стабилизированы латерально за счет водородных связей между гидроксильными группами [29].Микрофибриллы состоят из кристаллической целлюлозы, соединенной аморфными участками, как показано на схеме на рисунке 13.3. Каждая микрофибрилла имеет диаметр от 2 до 10 нм и длину от 100 нм до нескольких микрометров, в зависимости от источника, из которого было извлечено волокно [30,31].

Рисунок 13.3. Схематическое изображение структуры целлюлозы: кристаллические области, соединенные с аморфными областями.

Адаптировано из [25].

В литературе термин «микрофибрилла», хотя и имеет приставку «микро», обычно используется для описания целлюлозных волокон диаметром 2–10 нм и длиной в несколько десятков микрометров.Такие термины, как нановолокно и нанофибрилла, также используются как синонимы микрофибриллы. Термин «микрофибриллированная целлюлоза» определяется как совокупность микрофибрилл целлюлозы, полученных в результате распада целлюлозных волокон. NCC или усы используются для определения кристаллической целлюлозы, которая имеет форму стержней диаметром от 2 до 20 нм и длиной от 100 до 600 нм [22,32].

Получение наноразмерных целлюлозных волокон и их применение в качестве армирования для полимерных композитов в последние годы привлекло большое внимание из-за его свойств высокой прочности и подходящей жесткости в сочетании с низким весом и биоразлагаемостью, а также экологическими преимуществами, вытекающими из его свойств. используйте [22,31].

Выделение нановолокон целлюлозы из лигноцеллюлозных волокон может быть достигнуто с помощью различных процессов, таких как электроспиннинг [33–36], механический процесс [37], кислотный или ферментативный гидролиз [36,38–40], а также сочетание два или более из этих процессов [30].

В зависимости от метода, используемого для разрушения макроскопических волокон в нановолокнах, могут быть получены различные морфологии. Процесс кислотного гидролиза приводит к образованию агрегированной коллоидной суспензии с высокой кристалличностью и высокими пропорциями, называемой микрокристаллической целлюлозой (МКЦ).После кислотного гидролиза стадия обработки ультразвуком служит для разрушения агрегатов фибрилл с образованием NCC или нитевидных кристаллов. При использовании многократного механического сдвига получается микрофибриллированная целлюлоза, которая включает взаимосвязанные фибриллы и агрегированные фибриллы. Микрофибриллированная целлюлоза также может быть получена путем ферментативного гидролиза в сочетании с механическим сдвигом [36].

Для получения нитевидных кристаллов целлюлозы наиболее часто применяемым методом является кислотный гидролиз сильными кислотами, такими как серная кислота (H ₂ SO ₄ ), соляная кислота (HCl) или их комбинация при различных концентрациях и времени реакции [25 , 41,42].

Первый этап получения наноцеллюлозы путем кислотного гидролиза представляет собой ряд процессов, известных как варка целлюлозы и отбеливание, которые включают изоляцию волокон от разрушения комплекса целлюлоза-лигнин-полиоз без разрушения фибрилл [22,23].

Один из наиболее распространенных процессов варки целлюлозы, это щелочная обработка, которая способствует частичному удалению аморфных компонентов, таких как гемицеллюлоза, лигнин, воски и масла, растворимые в щелочной среде, и, следовательно, уменьшает диаметр и степень агрегации волокна [43,44].Во время щелочной обработки группы ОН, присутствующие в целлюлозе, реагируют с гидроксидом натрия (NaOH) в соответствии со схемой, показанной на рисунке 13.4, и гидрофильные гидроксильные группы уменьшаются за счет увеличения устойчивости волокна к влагопоглощению [43].

Рисунок 13.4. Схема реакции в процессе варки целлюлозных волокон с использованием щелочного раствора [43].

При щелочной обработке волокна набухают, и аморфные компоненты, растворимые в щелочном растворе, удаляются, оставляя фибриллы целлюлозы более рыхлыми, как это видно на диаграмме на Рисунке 13.5.

Рисунок 13.5. Схема типичной структуры целлюлозного волокна до и после щелочной обработки.

Адаптировано из [43].

Для производства целлюлозы в наномасштабе стадия варки необходима, потому что с удалением аморфных компонентов целлюлоза становится более открытой, облегчая последующие обработки, а также кислотный гидролиз.

После процесса варки полученная пульпа обычно имеет желтоватый цвет, потому что не весь лигнин будет удален, и поэтому необходимо использовать отбеливающие средства [23].

Отбеливание — это химический процесс, применяемый к целлюлозным материалам для получения белизны. Эта обработка уменьшает или удаляет некоторые из аморфных компонентов, которые имеют хромофорные группы, которые придают волокнам желтоватый цвет [45]. При получении нановолокон целлюлозы отбеливающая обработка является важным этапом, поскольку основная цель состоит в том, чтобы атаковать и удалить лигнин, оставшийся после обработки целлюлозой [46].

Отбеливающую обработку можно проводить с помощью некоторых химических реагентов, таких как перекись водорода (H ₂ O ₂ ) [47,48], гипохлорит натрия (NaClO) [49], хлорит натрия (NaClO ₂ ) [ 50], смесь азотной кислоты (HNO ₃ ) и уксусной кислоты (CH ₃ CO ₂ H) [48] и другие.

В настоящее время из-за проблем с окружающей средой все чаще используются отбеливающие обработки без хлора, учитывая, что остаточные сточные воды от традиционных обработок содержат хлорорганические соединения с высокой токсичностью [51].

Обработка перекисью водорода привлекла внимание многих исследователей, поскольку она относительно проста и обеспечивает улучшение механических свойств волокна [44]. Во время обработки органические пероксиды имеют тенденцию разлагаться на свободные радикалы, которые вступают в реакцию с гидроксильными группами целлюлозы, как показано на схеме на Рисунке 13.6.

Рисунок 13.6. Схема химической реакции с органическими пероксидами [44].

После обработок варкой и отбеливанием целлюлозные волокна получают с организованными областями (высококристаллическими) и неорганизованными областями (аморфными) [25,52].

Аморфные области целлюлозы имеют более низкую плотность по сравнению с кристаллическими областями, поэтому они более восприимчивы к действию кислоты во время процесса кислотного гидролиза, который разбивает структуру на отдельные кристаллиты, в то время как кристаллическая область остается нетронутой [25].

Условия гидролиза, такие как время реакции, соотношение кислота / пульпа и тип кислоты, напрямую влияют на поверхностную энергию нановолокон целлюлозы [53].

Используемая кислота влияет на свойства получаемых суспензий. При использовании соляной кислоты (HCl) в результате получается водный раствор с ограниченной дисперсией ЧПУ, которые имеют тенденцию к агрегации из-за водородных связей. С другой стороны, при использовании серной кислоты она реагирует с гидроксильными группами, образуя сложноэфирные сульфатные группы (Рисунок 13.7), которые имеют отрицательный заряд и вызывают электростатическое отталкивание между наночастицами, облегчая диспергирование. Однако в этом случае из-за наличия сульфатных групп термостабильность суспензий ниже, чем суспензий, полученных с соляной кислотой [54].

Рисунок 13.7. Цепь целлюлозы с присутствием сложноэфирно-сульфатных групп, добавленная при кислотном гидролизе серной кислотой [54].

В таблице 13.3 представлены некоторые условия кислотного гидролиза, обычно используемые многими авторами для получения нановолокон целлюлозы из различных натуральных волокон.

Таблица 13.3. Примеры параметров кислотного гидролиза, используемых для получения нановолокон целлюлозы

9039 2 4 /60%

60

₂ SO ₄ /64%

Кислота / Концентрация (м / м)	Волокно	Волокно / кислота (г / мл)	Время (мин.)	Температура (° C )	Каталожные номера
H 2 SO 4 /60%	Curaua	1/20	75	45	[52]
Листья Mengkuang	1/20	45	45	[55]
H 2 SO 4 /60%	Хлопковый пух		60	45	[56]
H 2 SO 4 /64%	Эвкалипт	1/9	25	45				[571 ] 2 SO 4 /64%	Рисовая шелуха	1 / 8,75	30-180	25	[47]
H 2 SO 4 /64%	Лен / MCC	1/20	50	[53]
H 2 SO 4 /64%	Гороховая шелуха	1 / 8,33	0-1440	45	[58]
MCC	1 / 9,8	120	44	[59]
H 2 SO 4 /64%	So	1/30	30 e 40	40	[60]
H 2 SO 4 /64%	Масляная пальма	1 / 8,75	60		[61]
H 2 SO 4 /65%	Сизаль	1/20	40	50	[62]
H 2 SO 4 /65%	Syngonanthus nitens ( capim dourado )	1/20	60	50	[63] 2 SO 4 /65%	Ramie	—	30	55	[39]
H 2 SO 4 /65%			Sisal	40	50	[64]
H 2 SO 4 /65%	кенаф	1/20	20-120	45	[65]	H 2 SO 4 /6.5 M	Цветной хлопок	1/20	75	45	[66]
HCl / 36,5%	Curaua	1/20	75	45
HCl / 1 моль / л	Хлопок	—	75	45	[67]
HCl / 1 N	Пшеничная солома	1/10	300	300	[37]

МКЦ, микрокристаллическая целлюлоза.

Помимо условий кислотного гидролиза, морфология и размеры NCC также зависят от источника, из которого они были извлечены. Некоторые из основных методов, используемых при исследовании размера и / или морфологии этих нановолокон, — это динамическое рассеяние света (DLS), сканирующая электронная микроскопия с полевой эмиссионной пушкой (FESEM), просвечивающая электронная микроскопия (TEM) и атомно-силовая микроскопия (AFM). ) [22,25,67,68,69].

В зависимости от техники, используемой для измерений, можно получить вариацию значений, как это наблюдалось в исследовании Мандала и Чакрабарти [68], в котором размеры нитевидных кристаллов целлюлозы из жома сахарного тростника были измерены с использованием трех различных методов АСМ: ТЕА и ДЛС (таблица 13.4).

Таблица 13.4. Размеры различных лигноцеллюлозных волокон

0 MET

Источник	Обработка	Длина (нм)	Диаметр (нм)	Метод	Каталожные номера
		Кислота	TEM	[70]
Сизаль	Кислотный гидролиз	215	5	TEM	[71]
					МЕТАЛЛ.	[72]
Лузга сои	Механическая	—	20-120	MET	[72]
Пшеничная солома	Механическая	—	[73]
Масличная пальма	Кислотный гидролиз	& gt; 100	& lt; 10	МЕТ	[61]
Дерево	Кислотный гидролиз	100-300	6	AFM	[74]
Джутовый	9028 9028 Кислотный гидролиз	FESEM / AFM	[75]
Жмых сахарного тростника	Кислотный гидролиз	—	33-220	DLS	[68]
	Сахарный мешок	гидролизный сахар	—	AFM	[68]
Жмых сахарного тростника	Кислотный гидролиз	170	35	MET	[68]
							Кокролиз				-100	DLS	[76]

FESEM, растровая электронная микроскопия для автоэмиссионной пушки.

АСМ обычно обеспечивает более высокие значения диаметра из-за интерференции используемого зонда, который имеет размеры, близкие к диаметру анализируемых наночастиц. С другой стороны, у него нет ограничений, связанных с низким контрастом и разрешением, как в электронной микроскопии [25]. Изображения, полученные с помощью ПЭМ, используются чаще всего из-за большей точности метода, который позволяет получать значения, наиболее близкие к фактическим.

DLS — один из самых популярных методов рассеяния света, поскольку он позволяет анализировать частицы размером менее 1 нм.При анализе нитевидных кристаллов целлюлозы DSL является дополнительным методом, поскольку он обеспечивает частотное распределение частиц по размерам и индекс полидисперсности образца [76].

Роза и сотрудники [77] получили CNC из кокосовых волокон с предварительной обработкой отбеливанием с последующим кислотным гидролизом с H ₂ SO ₄ 64% при 45 ° C в течение 120, 150 и 180 мин. Полученные нанокристаллы имели диаметр около 5 нм и соотношение сторон от 35 до 41, в зависимости от условий использованной обработки.

Paakkö et al. [36] использовали комбинацию ферментативного гидролиза и механической обработки с гомогенизацией под высоким давлением, и NCC был получен из беленой древесной массы. Полученный водный гель охарактеризовали различными методами микроскопии, и было определено присутствие двух отдельных групп частиц с размерами от 10 до 20 нм и другой с размерами от 5 до 6 нм.

Chen et al. [69] индивидуализировали нановолокна целлюлозы из волокон древесины, бамбука и пшеничной соломы, используя химические процессы для удаления лигнина и гемицеллюлозы с последующим механическим процессом высокоинтенсивной обработки ультразвуком.Диаметр изолированных нановолокон после 30 мин обработки ультразвуком при 1000 Вт был получен из изображений FE-SEM. Поперечный размер нановолокон целлюлозы из древесины, бамбука и пшеничной соломы составлял 10-20 нм, 10-40 нм, 15-35 нм соответственно.

В таблице 13.4 представлены другие исследования, в которых были получены значения размеров усов, измеренные с помощью AFM, FE-SEM, TEM и / или DLS.

Примеры морфологии нановолокон, полученных из различных лигноцеллюлозных волокон и различных условий гидролиза, можно увидеть на Рисунке 13.8.

Рисунок 13.8. (а) МЕТ-изображения нановолокон хлопка, полученные с хлорноватистой кислотой [67]; (б) АСМ-изображения нановолокон рисовых сухарей, полученные с использованием серной кислоты [47]; (в) МЕТ-изображение ветвящихся нановолокон, полученных с использованием серной кислоты [81].

Морфология нитевидных кристаллов целлюлозы напрямую связана с аспектным отношением частиц, которые определяют ее классификацию как нитевидные кристаллы, то есть удлиненные частицы с высоким аспектным отношением (l / d).

Целлюлозное волокно — обзор

2.3 Биосинтез бактериальной целлюлозы

BC волокна секретируются определенными микроорганизмами (например, K. xylinus ) из-за его способности биосинтезировать экзополисахарид β-1,4-глюкановых цепей, которые после экструзии вне клеток становятся расположены в параллельные цепи (10–15) через водородные связи, образующие субфибриллы, затем агрегируются в микрофибриллы и, наконец, пучки микрофибрилл, составляющие свободно намотанную ленту, которая состоит из примерно 1000 отдельных цепей глюкана. Бактерии предпочитают аэробные условия в статической культуре для биосинтеза гелеобразной мембраны, характеризующейся трехмерной структурой, состоящей из ультратонкой сетки нановолокон целлюлозы (3–8 нм) с высокой степенью кристалличности, полимеризации и чистоты, демонстрирующей многообещающие механические свойства. для нанокомпозитов (Czaja et al., 2006). Поверхностные культуры (статические) показывают более высокую урожайность (г / л) (рис. 7.3A), чем погруженные (перемешанные / аэрированные). В последней процедуре, если добавляются нерастворимые микрочастицы, такие как диатомовая земля, диоксид кремния, маленькие стеклянные шарики и частицы суглинка, производство СУ может быть значительно улучшено (Okiyama et al., 1992b; Vandamme et al., 1998).

Рисунок 7.3. (A) Жидкая культуральная среда с мембранами из бактериальной целлюлозы, указанными стрелками. Справа жидкую среду осторожно перемешивали, и через 3 дня над старым вырос другой слой мембраны; (B) после промывания мембран разбавленным 1 г% додецилсульфата натрия, а затем водой, конечный продукт представляет собой бесцветную полупрозрачную пленку; (C) бактериальные целлюлозные мембраны, высушенные в вакуумной сушилке для геля при 60 ° C в течение 2 часов; (D) аспекты после различных обработок мембран бактериальной целлюлозы: (1) только водой, (2) промывки разбавленным NaOH (1%), (3) промывки разбавленным NaOH (5%), (4) промывка согласно протоколу TAPPI ( NaOH 4.40 моль / л или 17,5 г%).

Выдающейся и явно парадоксальной особенностью биохимических способностей некоторых штаммов K. xylinus или, по крайней мере, в результате условий культивирования является образование разновидности гетероцеллюлозы, называемой ацетаном. Это относится к более коротким цепям целлюлозы, структурированным как строительные блоки основной β-1,4-связанной основной цепи, далее разветвленной пентасахаридной единицей, состоящей из (Man) ₁ — (GlcA) ₁ — (Glc) ₂ — (Rha) ₁ в качестве повторяющегося заместителя в положении C3 основной цепи, как описано аргентинскими исследователями (Couso et al., 1987).

Эта специальность биосинтеза была позже повторно исследована в Японии. Благодаря β-глюканазе, секретируемой в культуральную среду, там также накапливается все большее количество разветвленных целлоолигосахаридов (COS), которые соответствуют примерно одной трети биосинтезированной и секретируемой истинной целлюлозы. Поскольку в своей структуре они содержат рамнозу и гентибиозу (β-1,6-связанная глюкобиоза), было очевидно, что их первоначальным источником является ацетон. Также любопытно, что секретируемая глюканаза отображает ацетон как реальный субстрат, а не гомоцеллюлозу (Ito et al., 2005).

Генетическая изменчивость продуцентов BC, поиск более дешевых источников углерода и трансгенных штаммов интенсивно изучаются в TUL (Технологический университет Лодзи, Польша) группой исследователей под руководством Jacek et al. (2015) пытается понять «кажущуюся» подвижность / подвижность биопленок Komagataeibacter , потому что эта бактерия лишена жгутиков или пилей на поверхности клетки. Помимо подвижности клеток, продолжая концентрироваться на разрушении регуляторных генов, они смогли наблюдать изменения в штаммах, продуктивности и свойствах целлюлозных мембран.Примеры различных путей иллюстрируют разнообразие процессов, пересекающихся с синтезом целлюлозы в продуцирующей клетке (Jacek et al., 2015).

Новые штаммы пола Komagataeibacter исследуются для улучшения производства BC. Примером может служить вид persimmonis (по данным полного снятия отпечатков ДНК 16 S). В ферментере, который когда-то оптимизировал лучшие источники углерода и азота, этот новый изолят произвел 6,71 г / л БК, что соответствовало 30% -ному увеличению по сравнению со статической культурой при тех же условиях питания (Hungund, 2010).

Производство ЧУ Ha et al. (2008) с использованием отходов ферментации пивных культур дало 4,52 г / л сухого вещества СУ после 120 часов культивирования, а после обработки отработанных пивных дрожжей производство может увеличиться до 7,02 г / л (Lin et al. , 2014). Дрожжевой экстракт и пептон являются наиболее часто используемыми источниками азота в производстве БК, поскольку они обеспечивают азот и факторы роста для штаммов Komagataeibacter . Тонкая барда — это сточные воды рисовой винодельни, богатые источниками углерода и органическими кислотами, и она использовалась как очень эффективная добавка к традиционной среде Гестрина и Шрамма (HS) (традиционная среда производства BC) для увеличения производства BC.Сама по себе тонкая барда поддерживала рост K. xylinus с получением BC с концентрацией 3,05 г / л после 7 дней статического культивирования; при использовании его для замены дистиллированной воды для приготовления среды HS продукция BC была увеличена в 3,4 раза до 10,38 г / л, что примерно в 2,5 раза выше, чем в среде, содержащей только HS. Использование бесплатной тонкой барды в качестве добавки к производству СУ не только может улучшить производство СУ, но и решить проблему удаления сточных вод в винодельческой промышленности (Wu and Liu, 2012).

Многие исследователи пытаются найти эффективные заменители питательных веществ из-за их высокой стоимости. Даже если к среде HS были добавлены различные источники азота, пептон оказался наиболее эффективным питательным веществом. Однако кукурузный настой, производивший второе место по производству, всегда выбирается в качестве заменителя с экономической точки зрения (Wu and Liu, 2012). Параллельно с этим в Университете Томаша Бата в Злине, Чешская Республика, исследователи Saha et al. Изучают яблочный сок и связанные с ним побочные продукты, такие как выжимки.(2015), потому что яблоко — один из самых распространенных отходов агропромышленного комплекса в Европе. Были предприняты попытки исследовать выход целлюлозы в присутствии яблочного сока, потому что такие фрукты содержат большое количество сахаров, таких как глюкоза и фруктоза, белков и микроэлементов, которые могут быть биопревращены в целлюлозу. Среда с ацетатным буфером может поддерживать среду pH, подходящую для биосинтеза BC, в течение более длительного времени по сравнению с традиционной небуферизованной средой HS и способствовать увеличению продукции BC (Kuo et al., 2016). Стоит упомянуть, что уксусная кислота может быть чрезмерно окислена до тех пор, пока CO ₂ и H ₂ O, таким образом, не будут обеспечивать избыточное энергоснабжение целлюлогенной бактерии.

Производство

BC было статистически оптимизировано штаммом K. xylinus с использованием среды плодов рожкового дерева и фасоли. Восемь параметров были оценены Plackett-Burman Design и, что особенно важно, три параметра были оптимизированы Central Composite Design и показали, что производство ЧУ может осуществляться с использованием этих экстрактов в качестве источников углерода и азота, среда имеет более высокую буферную емкость по сравнению со средой HS.Найдены оптимальные условия для получения БК в статической культуре (Bilgi et al., 2016).

Florea et al. (2016) перепрограммировали этот организм для биотехнологических приложений, и они создали набор генетических инструментов, которые позволяют биосинтез структурированной целлюлозы, функционализацию поверхности целлюлозы белками и настраиваемый контроль над производством целлюлозы.

Komagataeibacter таксономический пол и несколько его видов являются предпочтительными продуцентами BC для большинства исследователей в этой области.Тем не менее, поиск новых производителей BC также находится в центре внимания. Примерами являются Asaia bogorensis из Университета Шиншу, Япония, поскольку это также грамм [-] аэробная и перитрихозная бактерия. Их изолированные фибриллы тоньше, чем у K. xylinus , и продуктивность БК ниже. Панчал (2015) из Axcelon Biopolymers Co., Онтарио, Канада, является опытным предпринимателем в области производства и сбыта продукции в Британской Колумбии. Одна из его особых критических замечаний — медленный процесс биосинтеза целлюлозы у известных видов и / или штаммов Komagataeibacter .Это резкое ограничение или узкое место для более компенсирующей коммерциализации BC было преодолено благодаря выделению нового штамма, который оказался более чем в 10 раз быстрее для этой конкретной цели, а затем внесению значительного сокращения затрат на весь процесс и бизнес (Panchal , 2015). Параллельно с этим конкретным интересом работает группа под руководством Ракоци (2015) из Западно-Померанского технологического университета, Щецин, Польша, которая изучает выгодное применение вращающихся магнитных полей (RMF) для производства BC, демонстрируя, таким образом, различные свойства.

искусственное волокно | Britannica

искусственное волокно , волокно, химический состав, структура и свойства которого значительно изменяются в процессе производства. Искусственные волокна прядут и ткут в огромное количество потребительских и промышленных товаров, включая одежду, такую ​​как рубашки, шарфы и чулочно-носочные изделия; предметы домашнего обихода, такие как обивка, ковры и шторы; и промышленные детали, такие как шинный корд, огнестойкие накладки и приводные ремни. Химические соединения, из которых производятся искусственные волокна, известны как полимеры, класс соединений, характеризующихся длинными цепочечными молекулами большого размера и молекулярной массы.Многие полимеры, из которых состоят искусственные волокна, аналогичны или аналогичны соединениям, из которых состоят пластмассы, каучуки, клеи и поверхностные покрытия. Действительно, полимеры, такие как регенерированная целлюлоза, поликапролактам и полиэтилентерефталат, которые стали привычными для домашнего использования под торговыми наименованиями вискоза, нейлон и дакрон (торговая марка), соответственно, также превращаются в многочисленные изделия из нетканых материалов, от окон для целлофановых конвертов до оконных конвертов из целлофана. прозрачные пластиковые бутылки для безалкогольных напитков.Как волокна, эти материалы ценятся за их прочность, ударную вязкость, устойчивость к нагреванию и плесени, а также способность удерживать прессованную форму.

Искусственные волокна следует отличать от натуральных волокон, таких как шелк, хлопок и шерсть. Натуральные волокна также состоят из полимеров (в данном случае из соединений, полученных биологическим путем, таких как целлюлоза и белок), но они появляются в процессе производства текстиля в относительно неизменном состоянии. Некоторые искусственные волокна также получают из природных полимеров.Например, вискоза и ацетат, два из первых когда-либо произведенных искусственных волокон, сделаны из тех же целлюлозных полимеров, из которых состоит хлопок, конопля, лен и структурные волокна древесины. Однако в случае вискозы и ацетата целлюлоза приобретается в радикально измененном состоянии (обычно в результате операций с древесной массой) и далее модифицируется, чтобы преобразовать ее в практичные волокна на основе целлюлозы. Таким образом, вискоза и ацетат относятся к группе искусственных волокон, известных как регенерированные волокна.

Другая группа искусственных волокон (и гораздо большая группа) — это синтетические волокна. Синтетические волокна изготавливаются из полимеров, которые не встречаются в природе, а вместо этого производятся полностью на химическом заводе или в лаборатории, почти всегда из побочных продуктов нефти или природного газа. Эти полимеры включают нейлон и полиэтилентерефталат, упомянутые выше, но они также включают многие другие соединения, такие как акрилы, полиуретаны и полипропилен. Синтетические волокна могут производиться серийно с практически любым набором требуемых свойств.Ежегодно производятся миллионы тонн.

В этой статье рассматривается состав, структура и свойства искусственных волокон, как регенерированных, так и синтетических, а затем описываются способы их прядения, вытягивания и текстурирования в полезные волокна. Для полного понимания материала, из которого сделаны эти волокна, читателю рекомендуется начать со статьи «Промышленные полимеры, химия».

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишитесь сейчас

Сходства и различия в композитных приложениях

Работа над композитами из целлюлозного волокна обычно строго разделена на две отдельные области исследований в зависимости от происхождения волокна, то есть из древесины и из однолетних растений, представляющих две разные отрасли лесного и сельского хозяйства. соответственно. В данной статье проводится параллельная оценка древесных волокон и растительных волокон, чтобы выявить их сходства и различия в отношении их использования в качестве армирующих материалов в композитах, а также для обеспечения взаимной передачи знаний и технологий между двумя областями исследований.В статье дается введение в морфологию, химию и ультраструктуру волокон, моделирование механических свойств волокон, волоконные заготовки, доступные для изготовления композитов, типичные механические свойства композитов, моделирование механических свойств. с упором на композиты, имеющие случайную ориентацию волокон и значительную пористость, и, наконец, чувствительность композитов к влаге. Характеристики композитов из древесных и растительных волокон сравниваются с синтетическими стеклянными и углеродными волокнами, обычно используемыми для композитов, и обсуждаются преимущества и недостатки различных волокон.

1. Введение

Композиты на основе целлюлозных волокон древесины и растений представляют собой относительно новый и многообещающий класс композиционных материалов [1–4]. Они безвредны для окружающей среды и обладают хорошими техническими характеристиками. Для нескольких несущих нагрузок, где обычно используются композиты из стекловолокна или углеродного волокна, композиты из целлюлозного волокна могут быть достойной альтернативой. Это особенно актуально для приложений, где экологические преимущества (возобновляемость, биоразлагаемость) играют важную роль, а высокие механические свойства не являются основной мотивацией.За последнее десятилетие было собрано огромное количество научной литературы по целлюлозным волокнам для применения в композитах (например, см. Недавние обзоры [5–8]), хотя публикации, как правило, делятся на две отдельные области в зависимости от происхождения волокон. , то есть из древесины или однолетних растений. Причина этого разделения, возможно, заключается в том, что производители сырья ищут новые рынки для своих волокон (технологическая тяга), а конечным потребителям (рыночная тяга) еще предстоит использовать потенциал целлюлозных волокон, независимо от их происхождения. волокна.Производители сырья в данном случае, то есть лесное хозяйство для древесных волокон и сельское хозяйство для получения растительных волокон, разработали свои конкретные технологии в цепочке создания стоимости для производства волокон в зависимости от традиционного использования волокон. Для производства древесных волокон были построены целлюлозные заводы, которые производят сырье для производства бумаги и картона. Что касается растительных волокон, текстильные технологии совершенствуются для производства пряжи и тканей. Ввиду того, что область исследований в области целлюлозных волокон смещается в сторону достижения технических требований конечных пользователей, а также достаточно независимое существование сообществ исследователей древесных и растительных волокон, соответственно, эта статья была написана, чтобы пролить дополнительный свет на сходства и различия этих двух типов целлюлозных волокон (древесного и растительного происхождения) в отношении промышленного использования для производства композитов из целлюлозных волокон для структурного применения.Характеристики волокон также будут сравниваться с характеристиками основных современных конкурентов, то есть композитов, изготовленных из синтетических волокон, таких как стеклянные и углеродные волокна. Сходства и различия различных волокон для композитов будут обсуждаться в свете будущих возможностей в инженерных приложениях. Сближая дисциплины науки о древесине и растительном волокне, можно было бы надеяться на взаимную передачу знаний, поскольку эти две области исследований развивались довольно независимо и, таким образом, достигли разных уровней понимания в отношении различных аспектов, таких как методы описания. , обработка волокна, обработка преформ волокна и производство композитов.

В статье представлено введение в (i) морфологию, химию и ультраструктуру волокон, (ii) моделирование механических свойств волокон, (iii) заготовки волокна, доступные для производства композитов, (iv) типичные механические свойства композитов, (v) моделирование механических свойств композитов с особым акцентом на композитах, имеющих случайную ориентацию волокон и значительную пористость, и (vi) чувствительность композитов к влаге.Кроме того, приводятся примеры применения новых композитов, а затем рассматриваются будущие перспективы использования древесных и растительных волокон для производства композитов из целлюлозных нановолокон. Наконец, дается краткое описание различий и вытекающих из этого преимуществ двух типов целлюлозных волокон, а именно древесных и растительных волокон, а также различия и вытекающие из этого преимущества целлюлозных волокон по сравнению с синтетическими волокнами.

2. Морфология, химия и ультраструктура волокон

Plantae — одно из пяти царств живых организмов, которое включает зеленые растения, то есть мхи, папоротники, голосеменные растения (например, мхи, папоротники, голосеменные).g., древесина хвойных пород) и покрытосеменных (например, лиственных и однолетних растений). Клетки зеленых растений окружены жесткой клеточной стенкой , , и это основная характеристика, отличающая их от клеток животных. В некоторых типах клеток клеточные стенки увеличены, чтобы иметь превосходные механические свойства, которые обеспечивают требуемые структурные характеристики растений. Размеры этих так называемых волокон различаются у разных растений, но их общая форма чаще всего удлиненная, длина находится в диапазоне 1–50 мм, а диаметр — в диапазоне 15–30, мкм, м.С точки зрения композитного армирования волокна удобно сгруппировать по длине. (I) Короткие волокна (1–5 мм), обычно происходящие из пород древесины (например, ели, сосны, березы, эвкалипта) и обычно используемые для изготовления композитов с плоскими изотропными свойствами, то есть композитов с неспецифической (случайной) ориентацией волокон. (ii) Длинные волокна (5–50 мм), обычно получаемые из однолетних видов растений (например, лен, конопля, джут) и обычно используемые для изготовления композитов с анизотропными свойствами, то есть композитов с определенной ориентацией волокон.У живых зеленых растений, когда волокна полностью развиты, их внутриклеточные органеллы начинают дегенерировать, в результате чего волокна имеют пустую центральную полость, так называемый просвет. В древесных волокнах площадь просвета составляет от 20 до 70% площади поперечного сечения волокна [9]. Напротив, однолетние растительные волокна, такие как конопля и лен, имеют относительно меньшую площадь просвета в диапазоне 0–5% [3, 10].

Основным химическим компонентом клеточной стенки является целлюлоза, которая представляет собой неразветвленный полисахаридный полимер, состоящий из звеньев глюкозы.Для древесных волокон средняя длина целлюлозной цепи составляет 5 мкм м, что соответствует степени полимеризации (т. Е. Единиц глюкозы) 10 000 [9]. Эта молекулярная линейность делает целлюлозу сильно анизотропной с теоретической жесткостью и прочностью около 130 и 15 ГПа, соответственно, в направлении цепи [11]. Цепи целлюлозы расположены параллельно, образуя пучки, которые обозначены как микрофибриллы , . В некоторых областях микрофибрилл молекулы глюкозы целлюлозных цепей расположены в высокоупорядоченной кристаллической структуре.Двумя другими основными химическими составляющими клеточной стенки являются гемицеллюлоза и лигнин. Гемицеллюлоза — это гетерогенная группа полисахаридов, характеризующаяся тем, что они короткие и разветвленные. Лигнин — это сильно разветвленный полимер, состоящий из фенилпропановых звеньев, организованных в сложную трехмерную структуру. Помимо организации трех химических компонентов, структурная сложность клеточной стенки увеличивается за счет организации ряда слоев, различающихся углом между микрофибриллами целлюлозы и продольной осью волокна.Угол наклона микрофибрилл целлюлозы в различных слоях, помимо относительной толщины слоев, определяет общие механические характеристики волокон. Таким образом, в целом клеточная стенка древесины и растительных волокон по существу организована как композитный ламинат с рядом пластинок с по-разному ориентированными, жесткими и прочными микрофибриллами полукристаллической целлюлозы, встроенными в матрицу из гемицеллюлозы и лигнина.

В отличие от целлюлозных волокон синтетические волокна, которые традиционно используются для армирования композитов, таких как стеклянные и углеродные волокна, являются монолитными и имеют гораздо более простую ультраструктуру.Стекловолокно в основном состоит из молекул оксида кремния, организованных в аморфную конфигурацию. Углеродные волокна состоят из атомов углерода в графитовых слоях, которые организованы в пакетную турбостратную конфигурацию.

В таблице 1 приведены ключевые числа химического состава и ультраструктуры целлюлозных волокон. Содержание целлюлозы в необработанных волокнах находится в диапазоне 40–50% мас. Для древесных волокон и в диапазоне 60–70% мас. / Мас. Для растительных волокон. Соответственно, содержание гемицеллюлозы и лигнина в древесных волокнах выше, и это особенно верно для лигнина, содержание которого в древесных волокнах составляет около 30 мас.% По сравнению с только примерно 5 мас.% В растительных волокнах.Химический состав древесных и растительных волокон явно отличается друг от друга. Кроме того, древесные волокна демонстрируют более низкую степень кристалличности целлюлозы, чем растительные волокна, с типичными значениями в диапазонах 55–70 и 90–95% соответственно. Угол микрофибрилл в древесных волокнах варьируется в диапазоне 3–50 ° в зависимости от типа и расположения волокон в древесине (например, поздняя и ранняя древесина) [12], тогда как угол микрофибрилл в растительных волокнах более постоянен в диапазон 6–10 ° [13].

9114 911 911 911 91 144 обработка Эффект обработки по химическому составу волокон приведен в таблице 1.Как правило, как для древесных, так и для растительных волокон содержание целлюлозы увеличивается после обработки за счет удаления нецеллюлозных остатков волокон (например, пектинов и восков). Эффект технологической обработки наиболее отчетливо виден для сильно обработанных текстильных волокон конопли в исследовании Madsen et al. [14], где содержание целлюлозы достигло 91% мас. / Мас. Влияние условий выращивания и обработки на химический состав и ультраструктуру целлюлозных волокон обычно приводит к появлению волокон с более разнообразными свойствами, чем у синтетических волокон.Это часто считается одним из основных недостатков использования целлюлозных волокон для армирования композитов. Однако считается, что это беспокойство вызвано общей неопределенностью в отношении причин вариабельности свойств и отсутствием системы классификации качества целлюлозных волокон, например, аналогичной системе, существующей для классификации твердых волокон. древесина. Следует также отметить, что вариабельность механических свойств волокон может положительно влиять на чувствительность к надрезам и трещиностойкость композитов [15, 16]. 3. Моделирование механических свойств волокон Микромеханические модели могут быть полезны для понимания того, как химический состав и ультраструктура целлюлозных волокон влияют на их механические свойства. С геометрической точки зрения клеточная стенка в целлюлозных волокнах может быть аппроксимирована слоями концентрических цилиндрических оболочек. На рисунке 1 показана такая идеализированная геометрия волокна. Резюме того, как ультраструктурные особенности клеточной стенки влияют на механические свойства волокон, были составлены Neagu et al.[17], Салмен и Бургерт [18] и Салмен [19]. В принципе, наиболее важными механическими свойствами волокон при использовании в композитах являются жесткость и прочность в осевом направлении, то есть в направлении длины волокна. Предполагается, что именно в этом направлении волокна несут нагрузку при использовании в композитах. В случае целлюлозных волокон ключевые ультраструктурные особенности, которые влияют на осевые механические свойства волокон, следующие: (i) Размер просвета . Только стенка ячейки несет нагрузку, то есть механические свойства волокна пропорциональны площади поперечного сечения стенки ячейки. Чем больше относительный размер просвета, тем ниже жесткость и прочность волокон. (Ii) Содержание целлюлозы. В исследовании Thygesen et al. [20] было обнаружено, что увеличение содержания целлюлозы в волокнах хорошо коррелирует с увеличением их жесткости и прочности. Кроме того, известно, что кристалличность целлюлозы и соотношение размеров кристаллитов влияют на жесткость клеточной стенки в направлении микрофибрилл (например,г., [21]). (iii) Угол микрофибриллы. С помощью классической теории ламината (вращение ортотропной пластины в плоскости) можно продемонстрировать, что эффективные упругие свойства волокон в осевом направлении зависят от локальной жесткости в направлении микрофибрилл, умноженной на cos 4 , где — угол микрофибриллы. Таким образом, жесткость (и прочность) волокна очень чувствительна к углу наклона микроволокон, даже если механические свойства в направлении микроволокон постоянны.Эта тенденция также отражается в более точных и подробных микромеханических моделях (например, в исследовании Hofstetter et al. [22]). Малый угол микрофибрилл растительных волокон делает их сильно анизотропными (что также относится к синтетическим углеродным волокнам, но не к стекловолокнам), и это приводит к относительно низким поперечным механическим свойствам. Из трех вышеупомянутых ультраструктурных особенностей наиболее важным фактором, который необходимо учитывать при моделировании механических свойств волокон, является, вероятно, угол микрофибрилл, поскольку просветы волокон могут либо сплющиваться (как для ранней древесины в волокнах, подвергнутых химической пульверизации). или заполнены смолой с низкой вязкостью во время производства композитов, а содержание целлюлозы является внутренним свойством, которое примерно постоянно для растительных волокон и постоянное, хотя и более низкое, для древесных волокон (см.Таблица 1). Зависимость жесткости волокна от угла микрофибриллы является хорошо известным эффектом (например, [23]) и может быть описана классической теорией ламината [24]. 4. Преформы из волокон Типы преформ из целлюлозных волокон, которые будут использоваться для изготовления композитов, в принципе идентичны преформам для синтетических волокон, хотя необходимо учитывать некоторые особенности. Ниже приведены подробные сведения о преформах из дерева и растительных волокон. 4.1. Преформы из древесного волокна Древесные волокна доступны по низкой цене в виде целлюлозных волокон (рис. 2 (а)). Они используются для изготовления бумажных листов или картона для упаковки. Одним из способов изготовления композитов на основе древесных волокон является использование таких волокнистых матов (рис. 2 (b)), которые можно пропитать, например, с использованием метода литья с переносом смолы (например, [46]). Вязкая термореактивная смола пропитывает закрытый мат из древесных волокон с помощью сосуда под давлением, прикрепленного к входному отверстию формы, а иногда также с помощью вакуумного всасывания на выходе.Этот метод производства подходит только для смол с низкой вязкостью, обычно термореактивных. Термопласты обычно имеют высокую вязкость в расплавленном состоянии, и формование с переносом смолы не подходит, поскольку время пропитки было бы слишком большим или требуемое высокое давление могло бы вызвать сильную деформацию волокнистого мата. Вместо этого можно рекомендовать смешанную технологию. Используя бумагоделательные машины, например, так называемые французские или финские листоформовщики в лабораторных масштабах, можно производить маты, состоящие из смешанных волокон древесной пульпы и термопластических волокон (например.г., [46]). Термопластические волокна предпочтительно должны иметь такие же размеры, что и волокна пульпы, чтобы иметь примерно такие же гидродинамические свойства во время процесса формирования, что способствует эффективному смешиванию. Термопластические волокна могут быть спрядены до диаметров около 30 мкм и м и нарезаны до длины примерно 3 мм (аналогично размерам волокон целлюлозы). Когда мат из смешанных волокон высохнет, его можно поместить в горячий пресс, и можно будет формовать композитные компоненты.Этот метод не ограничивается только плоскими пластинами для испытаний материалов, но также может изготавливаться сложные детали с двойной кривизной [47]. Бумажная промышленность включает в себя огромную инфраструктуру для производства матов из древесного волокна. Предполагаемые объемы таких волокнистых преформ для применения в композитах чрезвычайно малы по сравнению с объемами производства обычной бумаги и картона. Тем не менее, есть возможность использовать накопленный опыт и использовать небольшие бумажные фабрики для производства композитных преформ.В лабораторном масштабе используются два основных метода имитации процесса производства бумаги. Наиболее распространены листы, полученные путем динамического формования листов и обычные листы. При динамическом формовании листа струя волокнистой суспензии направляется к вращающемуся проволочному барабану [48]. Волокна осаждаются на проволоке, а вода проходит через проволоку. В зависимости от разницы скоростей струи и проволоки волокна будут ориентироваться в продольном направлении (по окружности вращающегося барабана).Затем может быть получен анизотропный лист с характеристиками, аналогичными тем, которые производятся на бумажных фабриках, где волокна предпочтительно ориентированы в продольном направлении по сравнению с поперечным направлением. В листах для рук волокна смешаны с водой в большом контейнере. Вода резко выпускается на дно емкости, и волокна откладываются на плоской проволоке внизу. В этом случае волокна преимущественно беспорядочно ориентированы в плоскости. Таким образом, основное различие между листами, которые формируются с использованием динамического формирователя листов, и ручных листов заключается в том, что первые обычно анизотропны в плоскости, а вторые изотропны в плоскости. 4.2. Преформы из растительного волокна Типы преформ из растительного волокна, доступных для композитов, показаны на Рисунке 3. Ниже приводится описание их обработки и характеристики. После того, как волокна были извлечены из растений с помощью процесса вымачивания с последующим рядом механических процессов, волокна могут быть преобразованы в нетканые маты с помощью методов воздушной укладки и иглопробивки [49] . Ориентация волокон в нетканых матах номинально в плоскости случайна, но они могут показывать предпочтительную ориентацию волокон в машинном направлении [50].В качестве альтернативы, волокна могут быть преобразованы в непрерывную пряжу с использованием различных методов прядения, таких как кольцевое прядение, роторное прядение, оберточное прядение и воздушно-струйное прядение [51]. Кольцевое прядение — самый распространенный метод. Во время прядения непрерывный пучок почти параллельных волокон (так называемая лента) скручивается так, что волокна принимают спиралевидную конфигурацию. Влияние угла закручивания волокна на механические свойства композитов рассматривалось в нескольких исследованиях [52–54].Кроме того, площадь поперечного сечения пряжи (которая косвенно определяется ее линейной плотностью, выраженной в единицах г / 1000 м) и степень уплотнения пряжи являются другими важными характеристиками пряжи, которым, однако, в перспективе уделялось ограниченное внимание. композитной арматуры [14]. Можно предположить, что степень уплотнения пряжи коррелирует с проницаемостью пряжи для пропитки матрицы во время изготовления композитов. Необходимы дополнительные исследования для улучшения понимания корреляции между различными структурными характеристиками пряжи из растительных волокон и механическими характеристиками пряжи в композитах. Преформы пряжи из растительных волокон могут использоваться непосредственно для производства композитов путем намотки из смеси нитей вместе с термопластичной нитью с последующим прессованием [41], или пряжа может использоваться для изготовления преформ тканых и не гофрированных материалов. . Ткани изготавливаются с различными узорами плетения, такими как полотняное, саржевое и атласное переплетение, в которых пряжа по-разному переплетена в двух основных, ортогональных и плоских направлениях. Пряжа в двух направлениях может иметь разную линейную плотность, и их можно размещать на разном расстоянии друг от друга.Ткани предлагают возможность иметь плоскую конфигурацию пряжи в двух измерениях, разработанную для соответствия профилю нагрузки данного композитного приложения. Ткани из льняных, джутовых и хлопковых волокон широко доступны, но чаще всего они предназначены для текстильных приложений, а не для композитных материалов. Ткани без обжима состоят из нитей, которые не скрепляются друг с другом путем вплетения друг в друга, а сшиваются вместе тонкими и гибкими нитями (обычно из термопластичного полиэстера).Это означает, что пряжа полностью растянута; то есть у них нет обжима, так как они не должны переходить друг под друга. Отдельные слои параллельных нитей, удерживаемые вместе поперечно направленными сшивающими нитями, обозначают одноосные не гофрированные ткани. Такие одноосные слои укладываются и сшиваются вместе для образования двухосных или многоосных не гофрированных тканей с определенной плоской ориентацией пряжи, например, ± 45 °, 0 ° / 90 ° и 0 ° / + 45 ° / -45 ° / 90 °. . В последнее время ряд европейских компаний приступили к производству не гофрированных тканей из льняных волокон.Таким образом, впервые в продаже появились ткани из растительных волокон, специально предназначенные для композитных материалов. 5. Механические свойства композитов Механические свойства композитов из древесных и растительных волокон подробно охарактеризованы и проанализированы. Однако были охарактеризованы в основном свойства при растяжении, а также свойства при изгибе и в некоторой степени также свойства при ударе, поскольку их относительно легко измерить и они обычно используются для оценки различных материалов в процессе разработки материалов.Другие более сложные механические свойства, такие как усталость [55–58] и ползучесть [59], изучены в меньшей степени. В Таблице 2 представлены типичные значения свойств растяжения (жесткости и прочности) композитов из древесного и растительного волокна, а также значения для композитов из стекловолокна и углеродного волокна. Замечательно высокая жесткость и прочность на 26 ГПа и 247 МПа соответственно для фенолформальдегидных композитов, пропитанных крафт-бумагой [34], до сих пор не были достигнуты для древесноволокнистых композитов.Эти материалы были разработаны во время Второй мировой войны для использования в обшивке крыльев самолетов. Помимо этих экстремальных результатов Кокса и Пеппера [34], можно заметить, что композиты из целлюлозных волокон (как древесных, так и растительных волокон) с номинальной произвольной ориентацией волокон в плоскости, изготовленные с использованием преформ из рыхлых волокон, бумаги и нетканые маты, обладают умеренными растягивающими свойствами с жесткостью в диапазоне 4–8 ГПа и прочностью в диапазоне 30–60 МПа. Что касается композитов из стекловолокна, с аналогичной случайной ориентацией волокон в плоскости, демонстрирующих жесткость в диапазоне 5-7 ГПа и прочность в диапазоне 80-100 МПа, композиты из целлюлозного волокна в целом демонстрируют сравнимую жесткость и несколько меньшую прочность. .Хорошо известно, что можно использовать различные химические подходы для управления межфазным соединением с целью повышения прочности композитов из целлюлозных волокон. Ацетилирование — это один из видов обработки поверхности, который можно использовать для уменьшения полярности волокон, делая их более совместимыми с (обычно) неполярной матрицей [60]. Также связующие агенты, такие как малеиновый ангидрид, могут использоваться для образования ковалентных связей между волокнами и матрицей [61]. В исследовании Clemons [30] (Таблица 2) было показано, что прочность композитов древесное волокно / ПП увеличилась с 28 до 52 МПа при использовании малеинового ангидрида в качестве связующего агента, тогда как жесткость не показала никаких изменений.Аналогичное значительное увеличение прочности с 40 до 60 МПа было обнаружено при исследовании композитов джутовое волокно / полипропилен Андерсеном и Плакеттом [37]. Химический состав Ультраструктура Каталожный номер Целлюлоза (мас.%) Гемицеллюлоза (мас.%) Лигнин (мас.%) Угол микрофибриллы (градусы) Целлюлоза w / w) Древесные волокна Ель Сосна [26] Сосна (крафт-целлюлоза) 4 4 9028 4 9028 27 [28] Balsa [26] Береза ​​ [26] Тополь ] Мягкая древесина 3–50 [12] Волокна растений [25] Конопля [29] 9028 9118 9118 9118 9118 911 с удалением [20] Конопля (трепанная) [29] Лен (хлопчатобумажный) [29] 1144 1144 текстильный [14] Конопля и лен 6–10 [13] Прочность 9118 GP844 Жесткость 9118 GP844 Содержание волокна (% об. / Об.) Свойства при растяжении Каталожный номер Композиты из древесного волокна Древесная масса / полипропилен 1 ; RD [30] Эвкалиптовые опилки / UP 1 ; RD [31] Крафт + TMP / PP; RD [32] Сульфитная пульпа / ПП 1 ; RD [33] Крафт / ПФ — бумага; РД 72 а 26.2 247 [34] Крафт / ПФ — бумага; РД 72 b 11,7 156 [34] Композиты из растительных волокон Лен / крахмал — рыхлые волокна 1 ; RD [35] Джут / ПП — нетканый мат; RD [36] Джут / ПП — нетканый мат; RD [37] Лен / PLA — ткань без обжима; UD [38] Лен / эпоксидная смола — не гофрированная ткань; UD [39] Лен / эпоксидная пряжа 2 ; UD [40] Лен / ПЭТ — пряжа 2 ; UD [41] Композиты из стекловолокна Стекло / ПП — свободные волокна 1 ; RD [42] Стекло / ПП — мат из рубленых прядей; RD [44] Стекло / эпоксидная смола — ровинг; UD [45] Стекло / полипропилен — ровинг 2 ; UD [43] Композиты из углеродного волокна Углерод c / эпоксидная смола — ровинг UD Вычислено Углерод d / эпоксидно-ровинг; UD Расчетный Литье под давлением; 2 нить-обмотка. a Машинное направление; b поперечное направление; c высокомодульные волокна; d высокопрочные волокна. При использовании преформ с номинально однонаправленными волокнами, таких как пряжа и не гофрированные ткани, свойства при растяжении композитов заметно повышаются при жесткости в диапазоне 20–32 ГПа и прочности в диапазоне 130–340 МПа. (Таблица 2). Кроме того, по сравнению с композитами со случайной ориентацией волокон в плоскости, объемное содержание волокна в однонаправленных композитах в целом выше (до 50–55%) [62].Это связано с лучшей упаковочной способностью выровненных волокон по сравнению с произвольно ориентированными волокнами. Однако по сравнению с синтетическими волокнами сборки из целлюлозных волокон обычно имеют более низкую упаковочную способность [63], что означает, что максимальное объемное содержание волокна обычно ниже в композитах из целлюлозных волокон. Это часть объяснения более низкой жесткости однонаправленных композитов из целлюлозного волокна по сравнению со стекловолоконными композитами со значениями примерно 30 и 45 ГПа соответственно.Жесткость целлюлозных волокон в композитах оценивается в диапазоне 20–90 ГПа [41], что для целлюлозных волокон наилучшего качества сопоставимо со стеклянными волокнами с жесткостью в диапазоне 70–87 ГПа [45]. Что касается прочности, однонаправленные композиты из целлюлозного волокна показывают радикально более низкие значения — около 300 МПа по сравнению с около 1000 МПа для композитов из стекловолокна. Объяснение низкой прочности однонаправленных композитов из целлюлозных волокон в настоящее время неизвестно, однако ожидается, что дефекты волокон, которые вносятся в волокна во время их обработки, играют большую роль [64]. Свойства при растяжении в таблице 2 хорошо иллюстрируют текущее состояние композитов из целлюлозного волокна, где жесткость приемлема и сопоставима с композитами из стекловолокна, но прочность требует улучшения. Из-за низкой плотности целлюлозных волокон особые механические свойства композитов из целлюлозного волокна особенно конкурентоспособны по сравнению с композитами из стекловолокна. Кроме того, если эти конкретные свойства нормализовать по стоимости, композиты из целлюлозного волокна также хорошо сравниваются с композитами из углеродного волокна.Другими словами, для приложений большого объема, где вес является проблемой, например, при упаковке и транспортировке, композиты из целлюлозного волокна, вероятно, будут основными конкурирующими материалами. 6. Моделирование механических свойств композитов Для композитных материалов количественная связь между микроструктурой и механическими свойствами обычно называется микромеханикой, и это было предметом обширных исследований для высокоэффективных композитов. Микромеханические модели, разработанные для этих материалов, обычно применимы также для композитов из целлюлозных волокон с некоторыми модификациями, учитывающими особенности целлюлозных волокон.Безусловно, наибольшее внимание привлекла связь между микроструктурой и упругими свойствами. Жесткость является одним из важнейших параметров конструкции, и она также поддается моделированию, поскольку жесткость представляет собой среднее общее свойство, в отличие от прочности, которая обычно контролируется локально самыми большими дефектами в материалах. 6.1. Композиты со случайной ориентацией волокон Композиты со случайным распределением ориентации волокон в плоскости, которое обычно имеет место для древесноволокнистых композитов, можно рассматривать как набор однонаправленных слоев, где относительная толщина каждого слоя определяется по волокну. распределение ориентации.Это известно как аналогия ламината, где классическая механика ламината может использоваться для соотнесения упругих свойств гипотетического однонаправленного слоя с характеристиками композитной пластины. Аналогия с ламинатом схематически проиллюстрирована на рисунке 4. Предполагается, что распределение ориентации волокон является симметричным, что обычно имеет место для матов из древесного волокна, произведенных с помощью традиционных методов влажного формования [65]. Это означает, что материалы глобально ортотропны, а глобальная матрица жесткости может быть описана пятью упругими константами, а именно продольным и поперечным модулями Юнга, большим и второстепенным коэффициентами Пуассона и модулем сдвига.Компоненты в глобальной матрице жесткости могут быть определены путем стандартизованного макроскопического тестирования, а распределение ориентации волокон может быть найдено путем анализа изображений сканированных участков волокнистого мата [66]. Волокна целлюлозы из мягкой древесины имеют коэффициент формы около 100 [67]. С механической точки зрения эти волокна можно рассматривать как непрерывные, то есть имеющие бесконечную длину, поскольку неэффективные длины вблизи концов волокна относительно малы, как это может быть рассчитано с помощью теорий сдвига и запаздывания [68, 69].Вклад древесных волокон в жесткость однонаправленных слоев в аналогии ламината затем может быть описан простыми механическими моделями, такими как модель правила смесей для продольных упругих свойств и модель Халпина-Цая для поперечных упругих свойств и свойств сдвига ( например, [70]). Для внеосевых свойств более точной является модель концентрического цилиндра Хашина [71]. Последняя модель использовалась Neagu et al. [72] для обратного расчета жесткости древесных волокон на основе измеренной жесткости композитов и, таким образом, ранжирования различных химических обработок древесных волокон с точки зрения их эффективности армирования в композитах.Пример показан на рисунке 5, где показано влияние отбеливания и остаточного лигнина (характеризуемого числом Каппа) на определяющую жесткость волокна. Это служит иллюстрацией того, как микромеханический подход может быть использован для определения оптимального уровня отбеливания независимо от содержания волокна и ориентации волокон в композитах. Эти последние два параметра могут быть трудно воспроизводимыми при производстве композитов. 6.2. Композиты с незначительным содержанием пористости В композитах с целлюлозным волокном пористость обычно вносит заметный вклад в общий объем композита с содержанием пористости до 10% [62].Напротив, в композитах из стекла и углеродного волокна накоплен значительный объем знаний о снижении содержания пористости ниже 1% [73]. В целом в композитах из целлюлозного волокна пористостью, как правило, нельзя пренебрегать, и ее следует учитывать при оценке характеристик композита. На рисунке 6 показаны примеры трех типов пористости, которые обычно можно найти в композитах из целлюлозного волокна: пористость просвета волокна, пористость на границе раздела и пористость пропитки. В исследовании Madsen et al.[62], содержание пористости коррелирует с содержанием волокна и матрицы, и представлена ​​модель численной корреляции между массовым и объемным содержанием компонентов композита. Входными параметрами являются (i) плотность волокон и матрицы, которая может быть измерена методами пикнометрии и плавучести, (ii) ряд эмпирических констант пористости, которые могут быть измерены по изображениям композитных микроструктур, и (iii) максимально достижимая объемная доля волокна, которую можно определить по характеристикам уплотнения волоконной сборки.Модель предсказывает объемные доли волокон, матрицы и пористости как функцию массовой доли волокна. Модель применима к композитам в целом, но особенно актуальна для композитов с относительно высокой пористостью, что обычно характерно для композитов из целлюлозного волокна. На рис. 7 (а) показаны экспериментальные данные и модельные прогнозы объемного состава ряда однонаправленных композитов из льняного волокна / термопластичной матрицы с переменными весовыми долями волокон.Объемные доли волокон и пористость увеличиваются в зависимости от массовой доли волокна до определенного значения, при котором после того, как объемная доля волокна становится постоянной, пористость начинает увеличиваться более резко. Массовая доля переходного волокна составляет 0,61. Таким образом, данные композиты должны изготавливаться с массовой долей волокна 0,61, чтобы иметь наилучшее возможное сочетание высокой объемной доли волокна и низкой пористости, и, как будет показано далее, это приводит к композитам с максимально достижимой жесткостью при растяжении. Прогнозы объемного состава композитов могут быть интегрированы с микромеханическими моделями. Это было сделано в исследовании Madsen et al. [74], применяя правило модели смесей для жесткости композитов. Использовалась модифицированная версия модели, в которой был учтен эффект пористости, определяющий концентрацию напряжений в композитах. На рисунке 7 (b) показаны экспериментальные данные и модельные прогнозы для жесткости однонаправленных композитов из льняного волокна / термопластичной матрицы.Жесткость монотонно увеличивается в зависимости от массовой доли волокна до определенного значения, после которого она начинает уменьшаться. Весовая доля переходного волокна составляет 0,61 (т.е. значение, определенное при моделировании объемного состава композитов), и здесь композиты показывают максимально достижимую жесткость около 35 ГПа. Он демонстрирует, что модели могут использоваться в качестве руководства для проектирования композитов с существенной пористостью, таких как композиты из целлюлозного волокна, для получения оптимального объемного состава, ведущего к оптимальным механическим характеристикам. 7. Чувствительность композитов к влаге По сравнению с композитами с обычными волокнами, ахиллесова пята композитов из целлюлозного волокна — это их способность впитывать влагу, что приводит к набуханию, нестабильности размеров и потенциальному ухудшению механических свойств. Гидрофильность волокон обусловлена ​​обилием доступных гидроксильных групп в гемицеллюлозе, в аморфной целлюлозе и на поверхности кристаллитов целлюлозы. Для конструкционных материалов чувствительность к влаге обычно считается недостатком, и ее следует по возможности снизить.Для композитов из целлюлозных волокон это может быть сделано путем сшивания полимеров клеточной стенки в волокнах [76], использования жесткой и гидрофобной матрицы [77] и использования влагонепроницаемого покрытия [78]. То, как набухание волокон влияет на стабильность размеров композитов, сложно из-за нерегулярной микроструктуры сборки волокон. Одним из способов изолировать гигрорасширение волокон и количественно оценить его вклад в гигрорасширение композитов является использование микромеханических моделей.Они аналогичны моделям, главным образом разработанным для теплового расширения и остаточных напряжений в композитах с керамической матрицей. Тепловое расширение и гигрорасширение регулируются одними и теми же физическими уравнениями, в которых термическая и гигральная деформации определяются температурой и влажностью, соответственно. Микромеханические модели гигрорасширения композитов включают также параметры упругих свойств волокон и составляющих матрицы. В исследовании Neagu et al. [48], измерения скручивания полос композитов из древесного волокна и матов из древесного волокна были использованы для определения коэффициента поперечного гигрорасширения древесных волокон, равного приблизительно 0.10 деформаций на относительную влажность. Это согласуется с немногочисленными имеющимися в литературе данными о гигроэкспансионных свойствах целлюлозных волокон [79]. В исследовании Madsen et al. [80] при гигрорасширении однонаправленных композитов пеньковое волокно / термопластичная матрица, изменения размеров, как было обнаружено, хорошо коррелировали с объемной долей волокна. Выбранные результаты показаны на фиг. 8. При использовании эталонной влажности 65% относительной влажности было обнаружено, что поперечное гигрорасширение составило 0.9% и 3,3% при относительной влажности 85 и 100% соответственно для композитов с максимальной объемной долей волокна 0,43. Гигрорасширение в продольном направлении оказалось низким и слегка отрицательным, что предположительно связано с релаксацией остаточных напряжений растяжения в матрице, вызванной влагой. На рисунке видно, что экспериментальные точки данных хорошо моделируются линиями микромеханической модели. Стеклянные и углеродные волокна не впитывают влагу, хотя стеклянные волокна чувствительны к коррозии под воздействием окружающей среды в присутствии влаги и растягивающего напряжения [81].Чувствительность к влаге у древесных волокон выше, чем у растительных волокон, поскольку первые содержат большее относительное количество гемицеллюлозы, которая является наиболее гидрофильным полимером в клеточной стенке. 8. Применение композитов В Европе композиты из целлюлозного волокна в основном используются в автомобильной промышленности. Применяемые волокнистые преформы представляют собой рыхлые волокна, используемые для технологий литья под давлением, и нетканые маты, используемые для методов компрессионного формования. Из-за номинальной случайной ориентации волокон в этих композитах они обладают только умеренными механическими свойствами (см. Таблицу 2), но это, тем не менее, делает их хорошо подходящими для использования в неструктурных компонентах, таких как дверные обшивки, подкладки багажника и полки для пакетов.Низкие цены на рыхлые волокна и нетканые маты из целлюлозных волокон по сравнению с их синтетическими аналогами создают сильную мотивацию для использования этих двух преформ в автомобильной промышленности. За пределами Европы использование неструктурных компонентов на основе целлюлозных волокон более распространено, и древесные волокна являются гораздо более предпочтительным типом волокон. В Северной Америке основными приложениями являются строительные компоненты, такие как настилы, оконные профили и полы. Недавно, в контексте исследовательских и опытно-конструкторских проектов, был проведен ряд демонстраций, демонстрирующих хороший потенциал композитов из целлюлозного волокна в новых областях применения (см. Рисунок 9).(i) Скульптура , представленная в Музее современного искусства Луизианы, Дания, специальная выставка «Зеленая архитектура для будущего», победитель премии JEC за инновации 2010 года, совместное предприятие 20 компаний, координируемое 3XN Architects, Дания. (ii) Колесный диск , проект 7-й рамочной программы ЕС , NATEX (2008–2012 гг.). (iii) Стул для детей, разработанный исследовательским институтом Innventia AB совместно с целлюлозной промышленностью и архитекторами, представленный на Миланской мебельной ярмарке. 2009 г.(iv) Панели двойной кривизны , разработанные М. Ларсеном и К.Р. Nielsen, представленный на «Klimaforum09 / Ideas at work» в связи с COP15, Копенгаген, 2009 г., и на выставке JEC 2010. (v) Малая лопасть ротора для использования в ветряной машине, проект 7-й рамочной программы ЕС , ВУДИ (2009–2012). (vi) Выставочные стенды в Шведском морском историческом музее в Стокгольме, Швеция, проект 7-й рамочной программы ЕС, WOODY (2009–2012). 9.Перспективы на будущее: композиты с нановолокном В последние годы значительное внимание было направлено на композиты, изготовленные из нановолокон целлюлозы (например, [82]). Как уже было описано, клеточная стенка древесных и растительных волокон структурирована как композит с микрофибриллами целлюлозы, встроенными в матрицу из гемицеллюлозы и лигнина. Микрофибриллы целлюлозы имеют поперечные размеры в диапазоне 10–100 нм и осевые размеры в диапазоне микрометров, и поэтому они подходят в качестве армирования в композитах из нановолокон.Идея состоит в том, чтобы добиться значительных улучшений технических свойств с добавлением нановолокон по сравнению с волокнами микрометрового диапазона. Это можно объяснить высокой удельной поверхностью наноразмерных волокон, которая влияет на свойства окружающей матрицы. Успех композитов из нановолокон особенно очевиден, если учитывать лишь незначительное добавление волокон и при этом сохраняется дисперсность нановолокон. Композиты на основе углеродных нанотрубок в течение относительно долгого времени были очень многообещающими, но пока не получили широкого применения [83].Разница между нановолокнами целлюлозы и углеродными нанотрубками заключается в способности нановолокон целлюлозы связываться друг с другом посредством водородных связей, в то время как поверхность углеродных нанотрубок химически инертна. Нановолокна целлюлозы могут образовывать очень прочную сетку и, кроме того, хорошо связываться с материалами полимерной матрицы с полярными группами. Однако это также приводит к трудностям при обработке, поскольку нановолокна целлюлозы имеют тенденцию к агрегированию и после влажной обработки требуется много времени для высыхания. Таким образом, технологичность и производительность являются взаимодополняющими и противоположными поведениями.Функциональные гидроксильные группы волокон можно модифицировать для улучшения диспергирования и обрабатываемости, хотя обычно это сопровождается повышенными затратами. Основные проблемы для композитов из целлюлозных нановолокон, вероятно, состоят в том, чтобы научиться производить объемные композитные компоненты с сохранением тонкости и дисперсности нановолокон. Сырьем являются сами целлюлозные волокна из древесной массы или растительных волокон, поэтому затраты на сырье пренебрежимо малы по сравнению с затратами на производство. 10. Общее сравнение волокон Как показано в разделах выше, древесные и растительные волокна в некоторых отношениях схожи, а в других — различаются. Таким образом, в зависимости от предполагаемого применения один конкретный тип волокна подходит больше, чем другой. Далее приводится общее сравнение, чтобы выделить некоторые преимущества древесины по сравнению с растительными волокнами и наоборот. Точно так же целлюлозные волокна сравнивают с их синтетическими аналогами, стеклянными и углеродными волокнами. Преимущества древесных волокон по сравнению с растительными волокнами заключаются в следующем.(i) Низкая стоимость, доступная на целлюлозных фабриках. (ii) Относительно короткие волокна означают лучшую технологичность. (iii) Развитая инфраструктура, доступная на целлюлозно-бумажных фабриках, для производства больших объемов по низкой цене. (iv) Преформы можно изготавливать из бумаги -технологии производства. (v) Могут быть достигнуты достаточно однородные партии целлюлозы. (vi) Не конкурирует с выращиванием продовольственных культур. Преимущества растительных волокон по сравнению с древесными волокнами заключаются в следующем. (I) Высокая продуктивность и выход. (Ii) Высокое содержание целлюлозы, высокая степень кристалличности целлюлозы, низкий угол наклона микрофибрилл, небольшой просвет означают отличные механические свойства волокон. .(iii) Относительно длинные волокна означают возможность контролировать ориентацию волокон и их укладку. (iv) Текстильные технологии могут использоваться для производства пряжи, тканых материалов и не гофрированных тканей. Несмотря на различия, древесные и растительные волокна имеют больше общего, чем то, что их отличает друг от друга. Можно упомянуть некоторые преимущества целлюлозных волокон по сравнению со стекловолокном и углеродными волокнами. (I) возобновляемый. (Ii) биоразлагаемый. (Iii) свет, то есть композиты обладают хорошими специфическими свойствами, которые важны для автомобилей и упаковки.(iv) Недорогое сырье. Основными недостатками целлюлозных волокон по сравнению со стеклянными и углеродными волокнами являются следующие: (i) Умеренные механические свойства. (Ii) Чувствительность к влаге, приводящая к нестабильности размеров и потенциальному ухудшению механических свойств. (Iii) Не полностью разработаны технологии изготовления композитов. Приведенные выше списки ни в коем случае не являются исчерпывающими, они служат только для демонстрации некоторых свойств древесины и растительных волокон в контексте применения композитов. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт